Tại sao chúng ta không thể nhìn thấy các thiên hà xa xôi bằng mắt thường?

Nếu ánh sáng tiếp tục truyền theo đường thẳng, tại sao chúng ta không thể nhìn thấy các thiên hà xa xôi bằng mắt thường? Chắc chắn nếu bạn nhìn chằm chằm đủ lâu, ánh sáng từ chúng cuối cùng sẽ chiếu vào mắt bạn? Tôi xin lỗi nếu đây là một câu hỏi ngớ ngẩn :)

Chắc chắn nếu bạn nhìn chằm chằm đủ lâu, ánh sáng từ chúng cuối cùng sẽ chiếu vào mắt bạn?

Thu thập ánh sáng trong một khoảng thời gian dài là cách kính viễn vọng có thể nhìn thấy các vật thể rất mờ. Hệ thống thị giác của con người không hoạt động theo cách đó.

Đối với một điều, ngay cả khi bạn nghĩ rằng bạn đang nhìn chằm chằm vào một cái gì đó, đôi mắt của bạn vẫn nhảy xung quanh một chút. Đó là một phản ứng tích hợp được gọi là microtremors mắt. Những microtremors này dường như là một phần thiết yếu để làm cho hệ thống thị giác hoạt động.

Mặt khác, mắt bạn không và không thể thu thập ánh sáng trong thời gian dài tùy ý (cách mà kính viễn vọng chụp ảnh có thể). Có một lượng lớn xử lý tín hiệu xảy ra trong mắt và trên đường đến não. Quá trình xử lý tín hiệu này phụ thuộc vào ánh sáng được thu thập trong khoảng thời gian ngắn.

Hệ thống tầm nhìn của chúng tôi đã phát triển để nhìn thấy thức ăn, bạn bè và những nguy hiểm trong điều kiện ánh sáng tốt. Chúng tôi rất tốt khi nhìn thấy chuyển động trong ánh sáng ban ngày. Chúng ta không giỏi nhìn thấy các vật thể đứng yên, và chúng ta không giỏi trong việc nhìn thấy các nguồn hầu như không nhìn thấy được dưới bầu trời rất tối.

Thiên văn học mắt thường bị giới hạn bởi bản chất của hệ thống thị giác của con người. Vật thể ở xa nhất mà chúng ta có thể nhìn thấy là Thiên hà Triangulum, và nó chỉ trong điều kiện bầu trời cực kỳ tối và cực kỳ rõ ràng.

Không phải là một câu hỏi ngớ ngẩn, nhưng thực sự bạn có thể nhìn thấy các thiên hà xa xôi bằng mắt thường. Từ bán cầu bắc, thiên hà Andromeda, thiên hà láng giềng lớn nhất của chúng ta, có thể nhìn thấy nếu bạn biết nơi để tìm và ở một nơi tối tăm hợp lý. Từ bán cầu nam, có thể nhìn thấy hai thiên hà nhỏ hơn, nhưng gần hơn, không đều gọi là Đám mây Magellan Nhỏ và Lớn.

Lý do mà các thiên hà ở xa hơn không nhìn thấy được là do định luật nghịch đảo bình phương : Khi các hạt ánh sáng (photon) rút ra khỏi thiên hà (hoặc bất kỳ nguồn sáng nào khác), chúng được phân bố trên một bề mặt ngày càng tăng. Điều đó có nghĩa là máy dò (ví dụ mắt của bạn) của một khu vực nhất định sẽ bắt được ít photon hơn, nó càng được đặt cách xa thiên hà. Luật nói rằng nếu trung bình trong một khoảng thời gian, nó phát hiện ra 8 photon ở khoảng cách D, thì trong cùng khoảng thời gian đó, ở khoảng cách 2D, nó sẽ phát hiện 8/2 ² = 2 photon. Ở khoảng cách 4D, nó sẽ phát hiện 8/4 ² = 0,5 photon. Hoặc, tương đương, nó sẽ cần gấp đôi thời gian để phát hiện một photon đơn lẻ.

Điểm mấu chốt là về nguyên tắc bạn có thể nhìn thấy các thiên hà rất xa, nhưng các photon rất ít và đến rất hiếm khi mắt bạn không phải là máy dò đủ tốt. Lợi ích của kính thiên văn là 1) nó có diện tích lớn hơn mắt của bạn và 2) bạn có thể đặt máy ảnh ở tiêu điểm của nó thay vì mắt và chụp ảnh với thời gian phơi sáng lớn, tức là tăng t.

Lý luận của bạn sẽ có giá trị không chỉ đối với các thiên hà, mà còn đối với các ngôi sao và bất cứ thứ gì nó tỏa sáng trong Vũ trụ, nhưng có một tác động quan trọng làm mất hiệu lực của nó: sự hấp thụ ánh sáng.

Môi trường giữa các thiên hà và giữa các vì sao chứa đầy bụi và khí, góp phần hấp thụ và tán xạ ánh sáng từ các vật thể ở xa. Đặc biệt trên mặt phẳng của thiên hà của chúng ta, chúng ta vẫn còn rất nhiều khí và bụi (Dải ngân hà là một thiên hà còn khá trẻ): thực sự, để nhìn vào vật thể ở xa, chúng ta cố gắng hướng các kính viễn vọng của mình về phía hố Lockman , bất cứ khi nào có thể.

Điều này đặc biệt hợp lệ đối với ánh sáng tần số thấp: ở mức năng lượng cao hơn, tán xạ và hấp thụ tia X và tia gamma từ lượng vật liệu hấp thụ tiêu chuẩn là không đáng kể (ngay cả khi bạn nhìn càng xa, vật thể càng trẻ là bụi và khí có sẵn mà vẫn không bị khóa trong các ngôi sao).

Ngoài ra, hãy xem xét nghịch lý của Olbers , biểu thị cho một Vũ trụ đang mở rộng để giải thích cho "bầu trời tối".

1. Vài photon - Bạn có con ngươi nhỏ. Chỉ các photon có thể di chuyển xa đến mức đó dọc theo một con đường có thể giao nhau với con ngươi nhỏ của bạn mới có cơ hội được nhìn thấy. Và chỉ một số photon đến võng mạc của bạn thực sự tương tác với các phân tử đăng ký sự xuất hiện của chúng.

2. Giao thoa - Các phân tử của khí quyển, bụi trong khí quyển, phản xạ / khúc xạ và trong mắt bạn, bụi trong hệ mặt trời, đám mây Oort, bụi liên sao trong thiên hà của chúng ta, bụi trong không gian liên thiên hà, bất kỳ phân tử nào dọc theo đường dẫn, tất cả có thể hấp thụ bất kỳ một vài photon nào và phát lại chúng theo một hướng khác.

3. Tính ổn định - Kính thiên văn, đặc biệt là Hubble, có thể thực sự, thực sự vẫn còn so với mắt bạn. Không chỉ đôi mắt của bạn liên tục tạo ra những thay đổi nhỏ, mà bạn còn thở và trái tim của bạn đập và những thứ khác giữ cho hình ảnh rất mờ không thể hình thành.

4. Phơi sáng - Hình ảnh Hubble Deep Field đầu tiên được thu thập trong khoảng 100 giờ phơi sáng . Bạn có thể thấy khó khăn với đôi mắt của bạn.

5. Duy trì - Thời gian phơi sáng ảnh hưởng đến lượng 'dữ liệu' được giữ lại về nơi các photon chiếu vào bề mặt ghi. Mắt bạn sẽ không nhớ rằng một photon đã đăng ký tại một thụ thể thậm chí sớm hơn một phút. Đôi mắt của bạn không tốt chút nào vì 'chụp ảnh tĩnh'.

6. Ô nhiễm ánh sáng / mở rộng phổ quát - Vũ trụ đã mở rộng hàng tỷ năm. Khi nó mở rộng, ánh sáng truyền qua không gian 'trải dài' hơn đến đầu đỏ của quang phổ nhìn thấy được. Đối với các thiên hà xa xôi, điều này có nghĩa là ánh sáng khả kiến ​​từ chúng đã dịch chuyển đủ xa để trở thành tia hồng ngoại và vô hình theo thời gian nó đến đây. Bây giờ, ánh sáng cực tím cũng sẽ thay đổi, một số trong đó trở nên 'nhìn thấy'. Nhưng sau đó nó bắt đầu bị trộn lẫn với bất kỳ hiệu ứng 'ô nhiễm ánh sáng' rải rác nào khi nó xảy ra với bầu khí quyển của chúng ta. Đôi mắt của bạn không tốt chút nào trong việc theo dõi các photon đến từ những nguồn nào.

Có thể có các yếu tố khác, nhưng có lẽ những yếu tố đó là quá đủ để chỉ ra vấn đề lớn như thế nào. Lưu ý rằng hình ảnh Hubble đầu 100 giờ là một bất ngờ lớn đối với các nhà thiên văn học. Ngay cả với các kính thiên văn thu thập ánh sáng lớn có sẵn trước đây, chúng không thể có đủ ánh sáng cho dữ liệu hữu ích. Thiết bị trước đó có con ngươi lớn hơn nhiều so với thiết bị của bạn, bề mặt hình ảnh nhạy cảm hơn và có thể 'ngồi yên' lâu hơn bạn nhiều; và nó vẫn gặp khó khăn với các thiên hà xa xôi.

Chỉ vì bạn có thể giữ cho mí mắt của bạn mở cho $x$ giây không có nghĩa là bạn đang thu thập ánh sáng cho $x$giây và sử dụng nó để tạo thành một hình ảnh duy nhất trong não của bạn. Làm thế nào bạn sẽ "lưu" ảnh? Làm thế nào bạn sẽ quyết định khi kết thúc bộ sưu tập ánh sáng? Bạn biết cũng như tôi làm điều đó, bạn không thể đơn giản nhấc ngón tay ra khỏi màn trập của não!

Và đó là trên hết các yếu tố khác như được giải thích trong các câu trả lời khác (nhưng tôi muốn tin vào điểm đặc biệt này hơn một chút so với các câu trả lời khác.).

Tôi nghĩ rằng câu hỏi của bạn là một sự sắp xếp lại cái gọi là "Nghịch lý của người phục vụ" - cụ thể là nếu vũ trụ là vô hạn thì tại sao bầu trời đêm không trắng, vì sớm hay muộn, tầm nhìn của chúng ta chạm vào một ngôi sao, và thậm chí rất xa sẽ là những ngôi sao vô hạn ngoài kia.

Câu trả lời cho điều này là (a) Vũ trụ không phải là vô hạn hoặc (b) Vũ trụ đã không tồn tại mãi mãi, vì vậy ngay cả khi nó là vô hạn, ánh sáng từ rất xa vẫn chưa đến được với chúng ta.

Trường hợp (b) thường được chấp nhận - tức là Vũ trụ đã bắt đầu một thời gian hữu hạn trước đây trong "vụ nổ lớn" - mặc dù (a) bị tranh chấp - tức là có thể vũ trụ không phải là vô hạn trong mọi trường hợp.

Con người có thể nhìn thấy một Photon không?

Mắt người rất nhạy cảm nhưng chúng ta có thể nhìn thấy một photon không? Câu trả lời là các cảm biến trong retinacanrespond thành một photon duy nhất. Tuy nhiên, các bộ lọc thần kinh chỉ cho phép tín hiệu truyền đến não để kích hoạt phản ứng có ý thức khi ít nhất khoảng năm đến chín đến trong vòng dưới 100 ms. Nếu chúng ta có thể nhìn thấy một cách có ý thức các photon đơn lẻ, chúng ta sẽ gặp quá nhiều "nhiễu" thị giác trong ánh sáng rất thấp, vì vậy bộ lọc này là một sự thích ứng cần thiết, không phải là điểm yếu.

Theo bài báo này http://math.ucr.edu/home/baez/physics/Quantum/see_a_photon.html

Vì điều này không phải lúc nào cũng có thể đối với các thiên hà xa xôi, chúng ta không thể nhìn thấy các thiên hà xa xôi.

Cốt lõi của câu hỏi đã được trả lời, nhưng thật thú vị khi minh họa mức độ khó khăn khi thực hiện quan sát bằng mắt thường của một thiên hà M81 cực kỳ sáng gần đó. Nhà thiên văn học Brian Skiff đưa ra một tài khoản về việc quan sát bằng mắt thường thành công của mình về thiên hà này tại đây .

Bây giờ, các thiên hà có độ sáng nhất định khó phát hiện hơn các ngôi sao có cùng độ sáng, vì tính chất mở rộng của chúng. Nếu bầu trời đủ tối, thì bạn có thể thấy các ngôi sao mờ nhạt như cường độ 8, nhưng bạn vẫn sẽ phải vật lộn để phát hiện ra M81 có độ lớn 7. Độ 7 là hình nhân tạo thu được bằng cách thêm ánh sáng đi vào từ các hướng hơi khác nhau.

Ngoài ra, bạn chỉ cần một lượng ánh sáng rất nhỏ để làm cho bầu trời trở lại chỉ là một chút màu xám để làm cho thiên hà biến mất khỏi tầm nhìn, trong khi tầm nhìn của các ngôi sao mờ vẫn không bị ảnh hưởng. Điều này là do độ cao như là một chức năng của vị trí trên bầu trời trong trường hợp một ngôi sao có cực đại rất mạnh và hẹp trong khi trong trường hợp thiên hà, do tính chất mở rộng của nó, không hiển thị một đỉnh lớn. Độ sáng tích hợp có thể giống nhau cho cả hai trường hợp, nhưng lượng ánh sáng nền bạn cần để làm cho thiên hà vô hình rõ ràng là ít hơn nhiều so với những gì bạn cần cho ngôi sao.