Por que não podemos ver galáxias distantes a olho nu?

Se a luz continua viajando em linha reta, por que não podemos ver galáxias distantes a olho nu? Certamente, se você olhasse o tempo suficiente, a luz deles acabaria atingindo seu olho? Peço desculpas se esta é uma pergunta idiota :)

Certamente, se você olhasse o tempo suficiente, a luz deles acabaria atingindo seu olho?

Coletar luz por um longo período de tempo é como os telescópios podem ver objetos muito escuros. O sistema visual humano não funciona dessa maneira.

Por um lado, mesmo quando você pensa que está olhando para algo, seus olhos ainda dançam um pouco. É uma resposta interna chamada microtremores oculares. Esses microtremores parecem ser uma parte essencial para tornar o sistema de visão funcional.

Por outro lado, seu olho não coleta e não pode coletar luz por períodos arbitrariamente longos (da mesma forma que um telescópio fotográfico). Há uma imensa quantidade de processamento de sinal que acontece no olho e ao longo do caminho até o cérebro. Esse processamento de sinal depende da coleta de luz por curtos períodos de tempo.

Nosso sistema de visão evoluiu para ver comida, amigos e perigos em condições bem iluminadas. Somos muito bons em ver movimento em plena luz do dia. Não somos bons em ver objetos estacionários e nem em fontes pouco visíveis sob um céu muito escuro.

A astronomia de olho nu é limitada pela natureza do sistema de visão humana. O objeto mais remoto que podemos ver é a galáxia Triangulum, que é apenas sob condições de céu extremamente escuro e extremamente claro.

Não é uma pergunta idiota, mas na verdade você pode ver galáxias distantes a olho nu. Do hemisfério norte, a Galáxia de Andrômeda, nossa maior galáxia vizinha, é visível se você souber onde procurar e está em um local razoavelmente escuro. Do hemisfério sul, são visíveis as duas galáxias menores, mas mais próximas, irregulares, chamadas Pequenas e Grandes Nuvens de Magalhães.

A razão pela qual galáxias mais distantes não são visíveis é devido à lei do quadrado inverso : À medida que as partículas de luz (fótons) recuam da galáxia (ou qualquer outra fonte de luz), elas são distribuídas por uma superfície sempre crescente. Isso significa que um detector (por exemplo, seu olho) de uma determinada área captura menos fótons, quanto mais distante ele é colocado da galáxia. A lei diz que se em um intervalo de tempo Δt, em média, ele detecta, digamos, 8 fótons à distância D, então, no mesmo intervalo de tempo, a uma distância 2D, ele detecta 8/2 ² = 2 fótons. A uma distância de 4D, ele detectará 8/4 ² = 0,5 fótons. Ou, equivalente, será necessário o dobro do tempo para detectar um único fóton.

A conclusão é que, em princípio, você pode ver as galáxias muito distantes, mas os fótons são tão poucos e chegam tão raramente que seu olho não é um detector suficientemente bom. A vantagem de um telescópio é que 1) ele tem uma área maior que o seu olho e 2) você pode colocar uma câmera no ponto focal em vez do olho e tirar uma foto com um grande tempo de exposição, ou seja, aumentando o Δt.

Seu raciocínio seria válido não apenas para galáxias, mas também para estrelas e qualquer coisa que brilha no Universo, mas há um efeito importante que o invalida: a absorção da luz.

O meio intergalático e interestelar é preenchido com poeira e gás, o que contribui para absorver e dispersar a luz de objetos distantes. Especialmente no plano de nossa galáxia, ainda temos bastante gás e poeira (a Via Láctea é uma galáxia relativamente jovem): de fato, para olhar para objetos distantes, tentamos orientar nossos telescópios em direção ao buraco Lockman , sempre que possível.

Isso é especialmente válido para luz de baixa frequência: em energias mais altas, a dispersão e absorção de raios-X e raios gama a partir da quantidade padrão de material absorvente é desprezível (mesmo que, quanto mais distante você olha, mais jovens são os objetos, mais é a poeira e o gás disponível que ainda não está trancado nas estrelas).

Além disso, considere o paradoxo de Olbers , que indica que um universo em expansão é responsável pelo "céu escuro".

1. Poucos fótons - Você tem pupilas pequenas. Somente os fótons que conseguirem percorrer essa distância ao longo de um caminho que conseguir se cruzar com suas pupilas minúsculas terão a chance de serem vistos. E apenas alguns fótons que atingem sua retina realmente interagem com moléculas que registram sua chegada.

2. Interferência - As moléculas da atmosfera, poeira na atmosfera, reflexão / refração e nos seus olhos, poeira no sistema solar, nuvem de Oort, poeira interestelar em nossa galáxia, poeira no espaço intergalático, qualquer molécula ao longo do tempo. caminho, todos podem absorver qualquer um dos poucos fótons e reemitê-los em uma direção diferente.

3. Estabilidade - Os telescópios, especialmente o Hubble, podem ser muito, muito parados com os seus olhos. Seus olhos não apenas constantemente mudam minuciosamente, mas você respira e seu coração bate e outras coisas impedem que imagens muito escuras possam se formar.

4. Exposição - A primeira imagem do Hubble Deep Field foi coletada em cerca de 100 horas de exposição . Você pode achar isso difícil com seus olhos.

5. Retenção - O tempo de exposição afeta a quantidade de 'dados' retidos sobre onde os fótons atingiram a superfície de gravação. Seus olhos não se lembrarão de um fóton registrado em um receptor mesmo um minuto antes. Seus olhos não são bons para 'fotografia'.

6. Poluição da luz / expansão universal - O universo está se expandindo há bilhões de anos. À medida que se expande, a luz que se propaga pelo espaço 'se estende' até a extremidade vermelha do espectro visível. Para galáxias distantes, isso significa efetivamente que a luz visível delas mudou bastante o suficiente para ser infravermelha e invisível quando chega aqui. Agora, a luz ultravioleta também mudaria, algumas delas se tornando 'visíveis'. Mas, então, começa a se misturar com os efeitos dispersos de "poluição luminosa" quando chega à nossa atmosfera. Seus olhos não são bons em acompanhar quais fótons provêm de quais fontes.

Provavelmente existem outros fatores, mas talvez esses sejam mais que suficientes para indicar o tamanho do problema. Observe que a imagem inicial de 100 horas do Hubble foi uma grande surpresa para os astrônomos. Mesmo com os grandes telescópios de captação de luz disponíveis anteriormente, eles não conseguiam obter luz suficiente para dados úteis. Esse equipamento anterior tinha pupilas muito maiores que as suas, superfícies de imagem mais sensíveis e podia "ficar parado" por muito mais tempo que você; e ainda tinha dificuldade com galáxias distantes.

$x$$x$

E isso está no topo de todos os outros fatores, conforme explicado em outras respostas (mas eu queria enfatizar esse ponto em particular um pouco mais do que as outras respostas).

Eu acho que sua pergunta é uma reformulação do que é conhecido como "paradoxo do obliter" - ou seja, se o universo é infinito, por que o céu noturno não é branco? haveria infinitas estrelas por aí.

A resposta para isso é: (a) o universo não é infinito ou (b) o universo não está aqui para sempre; portanto, mesmo sendo infinito, a luz de muito longe ainda está para chegar até nós.

O caso (b) é geralmente aceito - ou seja, o Universo começou há muito tempo no "big bang" - embora (a) seja contestado - ou seja, pode ser que o universo não seja infinito em nenhum caso.

Um humano pode ver um único fóton?

O olho humano é muito sensível, mas podemos ver um único fóton? A resposta é que os sensores no retinacrespondem a um único fóton. No entanto, os filtros neurais permitem apenas que um sinal passe ao cérebro para desencadear uma resposta consciente quando pelo menos cinco a nove chegam em menos de 100 ms. Se pudéssemos conscientemente ver fótons únicos, sentiríamos muito "ruído" visual com pouca luz; portanto, esse filtro é uma adaptação necessária, não uma fraqueza.

De acordo com este artigo http://math.ucr.edu/home/baez/physics/Quantum/see_a_photon.html

Como isso nem sempre é possível para galáxias distantes, não podemos ver galáxias distantes.

O núcleo da pergunta já foi respondido, mas ainda é interessante ilustrar o quão difícil é fazer observações a olho nu de uma galáxia M81 extremamente brilhante nas proximidades. O astrônomo Brian Skiff faz um relato de sua bem-sucedida observação a olho nu desta galáxia aqui .

Agora, as galáxias de um determinado brilho são mais difíceis de detectar do que as estrelas do mesmo brilho, devido à sua natureza extensa. Se o céu estiver suficientemente escuro, você poderá ver estrelas tão fracas quanto a magnitude 8, mas ainda lutará para encontrar M81 que possui um brilho de magnitude 7. A magnitude 7 é uma figura artificial obtida pela soma da luz que vem de direções ligeiramente diferentes.

Além disso, você só precisa de uma quantidade muito pequena de poluição luminosa para fazer com que o céu fique apenas um pouquinho cinza para fazer a galáxia desaparecer de vista, enquanto a visibilidade de estrelas fracas permanece essencialmente inalterada. Isso ocorre porque o brilho em função da posição no céu, no caso de uma estrela, tem um pico muito forte e estreito, enquanto no caso de uma galáxia, devido à sua natureza extensa, não mostra um grande pico. O brilho integrado pode ser o mesmo para os dois casos, mas a quantidade de luz de fundo necessária para tornar a galáxia invisível é obviamente muito menor do que o necessário para a estrela.