Como temos fotos de galáxias tão distantes?

Uma possível resposta para isso é que, a luz emitida pelas galáxias percorreu um bilhão de quilômetros até a Terra, onde o telescópio espacial hubble captou essa luz através de seus sensores e conseguiu construir uma imagem da galáxia

mas se isso é verdade, e as galáxias estão a bilhões de quilômetros de distância, as partículas de luz emitidas pelas galáxias não deveriam estar espalhadas por todo o lugar? afinal eles viajam há milhões de anos e provavelmente colidiram com asteróides e outros objetos estranhos. Quais foram as chances de cerca de 95% dos fótons atingirem a Terra, dando-nos uma imagem muito detalhada.

Considere a galáxia de Andrômeda, que tem uma distância de 1.492 × 10 ^ 19 mi da Terra. Se a luz emitida pela galáxia viaja em todas as direções, como é que ainda podemos mapear toda a galáxia, evidente na foto abaixo?

Não deveria faltar metade da galáxia, já que os fótons poderiam ter atingido outros objetos e "nunca atingiram a Terra"?

Existem duas razões pelas quais muitas vezes - mas nem sempre - a luz das galáxias, milhões e até bilhões de anos-luz de distância, atravessa o Universo e chega até nós:

1. Primeiro, o meio intergaláctico (IGM) é extremamente diluído. A densidade numérica de partículas lá fora é da ordem , ou cerca de 26 ordens de magnitude mais baixas que o ar ao nível do mar! Isso significa que se você considerar um tubo de Andrômeda para a Via Láctea com área de seção transversal de$n\sim10^{-7}\,\mathrm{cm}^{-3}$ , ele conterá aproximadamente um micrograma de matéria (obrigado a Rob Jeffries por detectar umerro dofator 10 6 ).$1\,\mathrm{cm}^{2}$$10^6$

2. Segundo, mesmo que um fóton se aproxime de um átomo, ele só será absorvido se sua energia corresponder intimamente a alguma transição no átomo. Como a maioria dos átomos é ionizada (e, portanto, deve ser chamada de plasma, mas na astronomia a distinção se não for feita com frequência), não há elétrons para absorver o fóton. É provável que os fótons interajam com os elétrons livres por meio da dispersão Thomson, mas a seção transversal da Thomson é imensamente pequena , portanto, mesmo se você considerar osfótons CMB- que viajam pelo Universo quase desde o Big Bang - apenas cerca de 5% deles interagiram com os elétrons a caminho.$(\sim10^{-24}\,\mathrm{cm}^{2})$

Em outras palavras: a quantidade de luz transmitida depende de dois fatores: 1) a quantidade de matéria ao longo da linha de visão e 2) a capacidade dessa matéria de absorver a luz. No IGM, ambos são tremendamente pequenos. Quando a luz entra no meio inter- estelar (ISM) dentro de nossa galáxia, ela pode encontrar nuvens mais densas com átomos capazes de absorver a luz. Mas geralmente (embora nem sempre) "denso" ainda é muito diluído em comparação com a atmosfera da Terra.

Em geral, se um feixe de luz atravessa uma região de partículas, cada uma com uma seção transversal (medida, por exemplo, em cm 2 ), passando N partículas por área do feixe (medida, por exemplo, em cm - 2 ), então a opacidade do o meio é dado pela profundidade óptica τ , definida por τ ≡ $\sigma$$^2$$N$$^{-2}$ $\tau$ A fração transmitida f dos fótons é então f = e - τ . Em geral, σ depende do comprimento de onda e, portanto, parte do espectro pode passar sem impedimentos, enquanto outra parte pode ser completamente absorvida.

$10\,000$

Como a luz que vemos neste quasar foi emitida há muito tempo, o Universo era consideravelmente menor naquela época e, portanto, a densidade era maior. No entanto, apenas uma pequena fração é absorvida. Quanto mais longe a luz é emitida, mais tempo atrás ela era, o que significa Universo menor e maior densidade e, portanto, mais luz é absorvida. Se você considerar esse quasar ( daqui ) que fica a 27 bilhões de anos-luz de distância, verá que muito mais luz é absorvida em parte do espectro. Ainda assim, porém, muita luz chega até nós.

A razão pela qual são apenas os comprimentos de onda curtos que são absorvidos é bastante interessante - mas isso é outra história.

Como Rob Jeffries diz, o universo é principalmente espaço vazio. Um fóton pode facilmente viajar milhares de anos-luz sem interagir com nada. A maior parte da interação ocorreria quando os fótons entravam na atmosfera da Terra. O Hubble evita isso. Essas fotos provavelmente resultaram da combinação de várias sessões de visualização, dando basicamente um longo período de tempo para a observação da galáxia.

Há um equívoco na sua pergunta. Acho que as outras respostas não foram abordadas.

Se a luz emitida pela galáxia viaja em todas as direções, como é que ainda podemos mapear toda a galáxia

A luz é emitida da galáxia em todas as direções. Apenas uma fração minúscula é direcionada para a Terra e, dessa forma, uma fração ainda menor é coletada por qualquer telescópio. Mas ainda podemos vê-lo, porque as galáxias são muito, muito brilhantes. Andrômeda contém cerca de um trilhão de estrelas.

Desculpe se essa lógica parece um pouco circular, mas podemos obter imagens não obscurecidas de galáxias porque elas não são obscurecidas.

Como foi mencionado - o espaço é muito, muito grande e muito, muito vazio. É difícil para nós contemplar, porque há muitas coisas próximas a nós - mas essa é realmente uma condição realmente incomum. A próxima estrela do Sol está a mais de 4 anos-luz de distância, mas temos quase toda (99.9999999999 ...%) a luz que segue em nossa direção - a mesma com a luz de mais longe - temos um grande número de fótons enviados a nós de objetos muito distantes.

O Hubble também usa as técnicas simples da câmera de lentes e exposições longas para capturar imagens de objetos distantes - para que seja recebida mais luz para construir a imagem.

Mas, na outra parte, é quase impossível tirar uma foto de uma galáxia (ou estrela) que está por trás de outra galáxia ou nuvem de poeira. Por exemplo, não podemos ver facilmente além do centro de nossa própria galáxia, porque há muita poeira, gás e estrelas no caminho. A imagem em sua pergunta, por outro lado, parece ser Andrômeda, que está acima do plano da galáxia. Nossa galáxia é bastante fina em comparação com seu diâmetro, e somos uma maneira decente de sair do centro galáctico, o que significa que há muito menos coisas no caminho.

E há algumas galáxias que tiramos imagens que são obscurecidas pelo pó:

Já existem boas respostas, mas eu gostaria de adicionar meu valor de dois centavos:

Como temos fotos de galáxias tão distantes?

Porque não há nada entre eles e nós que interfira na luz que chega às nossas câmeras.

Uma possível resposta para isso é que, a luz emitida pelas galáxias percorreu um bilhão de quilômetros até a Terra, onde o telescópio espacial Hubble captou essa luz através de seus sensores e conseguiu construir uma imagem da galáxia

É um bilhão de milhas para Saturno . Bem, na verdade a distância varia com as órbitas, mas veja este artigo da Space.com : "No ponto mais distante, quando se encontram em lados opostos do sol, estão um pouco mais de um bilhão de milhas (1,7 bilhão de quilômetros) de distância" . A galáxia de Andrômeda fica a cerca de quinze bilhões de bilhões de quilômetros de distância. Ou cerca de quinze quintilhões de milhas.

mas se isso é verdade, e as galáxias estão a bilhões de quilômetros de distância, as partículas de luz emitidas pelas galáxias não deveriam estar espalhadas por todo o lugar?

Não esqueça que os fótons têm uma natureza de onda E = hf. E que, embora estejam espalhados no ar, você ainda pode ver a Lua. Sim, há um pouco de luz se perdendo no espaço. Mas não tanto que o céu noturno seja um fugitivo nevoento em branco. Você também pode ver Saturno. E as estrelas. E as galáxias, mas são bastante escuras .

afinal eles viajam há milhões de anos e provavelmente colidiram com asteróides e outros objetos estranhos. Quais foram as chances de cerca de 95% dos fótons atingirem a Terra, dando-nos uma imagem muito detalhada.

As chances são altas. Temos fotos de planetas e coisas porque as chances são altas.

Considere a galáxia de Andrômeda, que tem uma distância de 1.492 × 10 ^ 19 mi da Terra. Se a luz emitida pela galáxia viaja em todas as direções, como é que ainda podemos mapear toda a galáxia, evidente na foto abaixo?

Se eu estivesse coberto de luzes, eu emitiria luz em todas as direções, e você me veria porque parte dessa luz entra em seus olhos. A galáxia de Andomeda é semelhante.

Não deveria faltar metade da galáxia, já que os fótons poderiam ter atingido outros objetos e "nunca atingiram a Terra"?

Não. E se metade dos fótons não chegasse à Terra, você veria uma galáxia mais fraca, só isso.

Deixe-me dar algumas explicações simples.

Não não não. 95% dos fótons não atingem a Terra. Mesmo que 5% dos fótons emitidos (dentro de alguns segundos) apenas por uma estrela, digamos, pelo nosso Sol atingissem a Terra, nosso planeta teria sido completamente queimado! Agora, então, Andrômeda tem centenas de bilhões de estrelas (ou sóis). Nada disso chega até nós, exceto por um número infinitesimalmente pequeno. É espantoso o quão pequena é a porcentagem de fótons que chega até nós! Você pode tentar calcular isso muito aproximadamente. É muito fácil calcular qual a porcentagem de fótons emitidos pelo Sol atinge a Terra. E o Sol está a apenas 8 minutos da Terra, enquanto Andrômeda está a mais de 2,5 milhões de anos! Então, na verdade, não é tão difícil imaginar quantos fótons chegam até nós.

Agora, por que não asteróides, planetas ou estrelas bloqueiam tudo? Andrômeda é muito grande para ser bloqueada assim! É mais fácil bloquear a vista do Oceano Pacífico do espaço, colocando algumas partículas de poeira no meio! O diâmetro de Andrômeda é superior a 200 milhões de anos-luz. Podemos bloquear a visualização? Na verdade, pode ser bloqueado por algo tão grande quanto uma nebulosa perto do nosso sistema solar. Essa nebulosa deve ter muitos anos-luz de diâmetro; deve ser denso o suficiente; e não muito longe. Felizmente, nada disso bloqueia esta bela galáxia do nosso ponto de vista. No entanto, isso acontece com algumas outras galáxias e objetos do espaço profundo. Quanto às nebulosas muito distantes, elas não bloquearão Andrômeda da nossa vista, porque parecerão muito pequenas no contexto de Andrômeda, que está muito mais distante.

Por que a luz não está espalhada? Por que deveria ser tão disperso para deixar Andrômeda embaçada? Quando a Lua está no horizonte, sua luz viaja por centenas de quilômetros de atmosfera densa quase paralela à superfície da Terra; ainda assim, ainda podemos treinar nossos telescópios e ver as várias características da Lua. Não seria uma visão muito limpa, mas ainda veríamos muito. Agora, no espaço, a luz viaja através de um vácuo quase completo, especialmente vazio é o vazio entre galáxias. Portanto, não há razão para que a luz seja dispersa demais. Fótons e muitas outras partículas são estáveis ​​o suficiente e podem percorrer distâncias muito maiores: bilhões de anos-luz. Outra maneira de ver isso é fazer uma pergunta quanto fótons devem desviar-se de seu caminho reto, para que Andrômeda fique embaçada para nós. Bem, eles têm que ir muito para os lados, e o diâmetro de Andrômeda é muito grande para isso. Isso não parece lógico, pois os fótons viajam em linhas retas. Objetos grandes, como estrelas e buracos negros, afetarão seu caminho, mas o diâmetro de Andrômeda é tão grande que não é uma opção, a menos que colocemos artificialmente trilhões de buracos negros ao longo da linha entre Andrômeda e nosso sistema solar, na tentativa de distorcer a imagem de Andrômeda ou para fazer com que esses buracos negros devorem toda a luz da galáxia! Então, quando os astrônomos dizem que a maior parte da luz chega até nós, eles significam que o espaço intergalático é um vácuo quase completo, e os fótons que seguem exatamente em nossa direção estão “livres” para ir. No entanto, apenas um número infinitesimalmente pequeno deles vai exatamente na nossa direção e ainda é suficiente para fotos legais. Por quê? É por isso: Isso não parece lógico, pois os fótons viajam em linhas retas. Objetos grandes, como estrelas e buracos negros, afetarão seu caminho, mas o diâmetro de Andrômeda é tão grande que não é uma opção, a menos que colocemos artificialmente trilhões de buracos negros ao longo da linha entre Andrômeda e nosso sistema solar, na tentativa de distorcer a imagem de Andrômeda ou para fazer com que esses buracos negros devorem toda a luz da galáxia! Então, quando os astrônomos dizem que a maior parte da luz chega até nós, eles significam que o espaço intergalático é um vácuo quase completo, e os fótons que seguem exatamente em nossa direção estão “livres” para ir. No entanto, apenas um número infinitesimalmente pequeno deles vai exatamente na nossa direção e ainda é suficiente para fotos legais. Por quê? É por isso: Isso não parece lógico, pois os fótons viajam em linhas retas. Objetos grandes, como estrelas e buracos negros, afetarão seu caminho, mas o diâmetro de Andrômeda é tão grande que não é uma opção, a menos que colocemos artificialmente trilhões de buracos negros ao longo da linha entre Andrômeda e nosso sistema solar, na tentativa de distorcer a imagem de Andrômeda ou para fazer com que esses buracos negros devorem toda a luz da galáxia! Então, quando os astrônomos dizem que a maior parte da luz chega até nós, eles significam que o espaço intergalático é um vácuo quase completo, e os fótons que seguem exatamente em nossa direção estão “livres” para ir. No entanto, apenas um número infinitesimalmente pequeno deles vai exatamente na nossa direção e ainda é suficiente para fotos legais. Por quê? É por isso: como estrelas e buracos negros afetarão seu caminho, mas o diâmetro de Andrômeda é tão grande que não é uma opção, a menos que artificialmente trilhões de buracos negros ao longo da linha entre Andrômeda e nosso sistema solar, na tentativa de distorcer a imagem de Andrômeda ou para fazer com que esses buracos negros devorem toda a luz da galáxia! Então, quando os astrônomos dizem que a maior parte da luz chega até nós, eles significam que o espaço intergalático é um vácuo quase completo, e os fótons que seguem exatamente em nossa direção estão “livres” para ir. No entanto, apenas um número infinitesimalmente pequeno deles vai exatamente na nossa direção e ainda é suficiente para fotos legais. Por quê? É por isso: como estrelas e buracos negros afetarão seu caminho, mas o diâmetro de Andrômeda é tão grande que não é uma opção, a menos que artificialmente coloquemos trilhões de buracos negros ao longo da linha entre Andrômeda e nosso sistema solar, na tentativa de distorcer a imagem de Andrômeda ou para fazer com que esses buracos negros devorem toda a luz da galáxia! Então, quando os astrônomos dizem que a maior parte da luz chega até nós, eles significam que o espaço intergalático é um vácuo quase completo, e os fótons que seguem exatamente em nossa direção estão “livres” para ir. No entanto, apenas um número infinitesimalmente pequeno deles vai exatamente na nossa direção e ainda é suficiente para fotos legais. Por quê? É por isso: a menos que artificialmente trilhões de buracos negros ao longo da linha entre Andrômeda e nosso sistema solar na tentativa de distorcer a imagem de Andrômeda ou fazer com que esses buracos negros devorem toda a luz da galáxia! Então, quando os astrônomos dizem que a maior parte da luz chega até nós, eles significam que o espaço intergalático é um vácuo quase completo, e os fótons que seguem exatamente em nossa direção estão “livres” para ir. No entanto, apenas um número infinitesimalmente pequeno deles vai exatamente na nossa direção e ainda é suficiente para fotos legais. Por quê? É por isso: a menos que artificialmente trilhões de buracos negros ao longo da linha entre Andrômeda e nosso sistema solar na tentativa de distorcer a imagem de Andrômeda ou fazer com que esses buracos negros devorem toda a luz da galáxia! Então, quando os astrônomos dizem que a maior parte da luz chega até nós, eles significam que o espaço intergalático é um vácuo quase completo, e os fótons que seguem exatamente em nossa direção estão “livres” para ir. No entanto, apenas um número infinitesimalmente pequeno deles vai exatamente na nossa direção e ainda é suficiente para fotos legais. Por quê? É por isso: apenas um número infinitesimalmente pequeno deles segue exatamente em nossa direção e ainda é suficiente para obter boas fotos. Por quê? É por isso: apenas um número infinitesimalmente pequeno deles segue exatamente em nossa direção e ainda é suficiente para obter boas fotos. Por quê? É por isso:

$40$$33$$-21.5$$5$$1$$2.5^{5-1}=40$$-21.5-5=-26.5$$2.5^{26.5}\approx 40,000,000,000$

Quanto ao tamanho do céu noturno, bem, longitudinalmente, é aproximadamente seis vezes o diâmetro da lua, mas você só pode ver a parte central brilhante. Para ver toda a extensão, você precisa de um telescópio de grande abertura e fotografia de longa exposição para reunir mais luz e produzir uma imagem melhor e mais detalhada.

Espero que esta explicação primitiva seja de alguma ajuda. Andrômeda é visível hoje, se o tempo permitir :)