Wie haben wir Fotos von so weit entfernten Galaxien?

Es gibt zwei Gründe, warum oft – aber nicht immer – Licht von Galaxien, die Millionen und sogar Milliarden Lichtjahre entfernt sind, es durch das Universum bis zu uns schafft:

1. Erstens ist das intergalaktische Medium (IGM) extrem verdünnt. Die Anzahldichte der Teilchen da draußen liegt in der Größenordnung$n\sim10^{-7}\,\mathrm{cm}^{-3}$, oder ungefähr 26 Größenordnungen niedriger als die Luft auf Meereshöhe! Das bedeutet, wenn Sie eine Röhre von Andromeda zur Milchstraße mit einer Querschnittsfläche von$1\,\mathrm{cm}^{2}$, wird es ungefähr ein Mikrogramm Materie enthalten (danke an Rob Jeffries für das Erfassen eines Faktors$10^6$Error).

2. Zweitens, selbst wenn ein Photon in die Nähe eines Atoms kommt, wird es nur dann absorbiert, wenn seine Energie genau mit einem Übergang im Atom übereinstimmt. Da die meisten Atome ionisiert sind (und daher eher als Plasma bezeichnet werden sollten, aber in der Astronomie oft nicht unterschieden werden), gibt es keine Elektronen, die das Photon absorbieren könnten. Die Photonen interagieren eher mit den freien Elektronen über Thomson-Streuung, aber der Thomson-Wirkungsquerschnitt ist immens klein$(\sim10^{-24}\,\mathrm{cm}^{2})$, also selbst wenn man die CMB-Photonen betrachtet – die fast seit dem Urknall durch das Universum gereist sind – haben nur etwa 5 % von ihnen auf ihrem Weg mit Elektronen interagiert.

Mit anderen Worten: Die Menge des durchgelassenen Lichts hängt von zwei Faktoren ab: 1) der Menge an Materie entlang der Sichtlinie und 2) der Fähigkeit dieser Materie, das Licht zu absorbieren. Im IGM sind beide enorm klein. Wenn das Licht in das interstellare Medium (ISM) innerhalb unserer Galaxie eintritt, kann es auf dichtere Wolken mit Atomen treffen, die das Licht absorbieren können. Aber normalerweise (wenn auch nicht immer) ist "dicht" immer noch sehr verdünnt im Vergleich zur Erdatmosphäre.

Allgemein gilt, wenn ein Lichtstrahl einen Bereich von Partikeln durchquert, jeweils mit einem Querschnitt$\sigma$(gemessen zB in cm$^2$), Vorbeigehen$N$Partikel pro Strahlfläche (gemessen zB in cm$^{-2}$), dann ist die Opazität des Mediums durch die optische Tiefe gegeben $\tau$, definiert von

Die Abbildung unten (von hier ) zeigt das Spektrum eines Quasars, der in einer Entfernung von 22 Milliarden Lichtjahren liegt, dh$10\,000$Mal weiter weg als Andromeda. Sie sehen, dass es mehrere dünne Absorptionslinien gibt (verursacht durch dazwischenliegende Wasserstoffwolken, deren Dichte um den Faktor 10-100 höher ist als die IGM), aber immer noch gelangt das meiste Licht zu uns herunter.

Da das Licht, das wir von diesem Quasar sehen, vor so langer Zeit emittiert wurde, war das Universum zu dieser Zeit erheblich kleiner und damit die Dichte größer. Trotzdem wird nur ein kleiner Teil resorbiert. Je weiter entfernt das Licht emittiert wird, desto länger ist es her, was ein kleineres Universum und eine höhere Dichte bedeutet, und desto mehr Licht wird absorbiert. Betrachtet man diesen Quasar (von hier aus ), der 27 Milliarden Lichtjahre entfernt liegt, sieht man, dass in einem Teil des Spektrums viel mehr Licht absorbiert wird. Trotzdem dringt viel Licht zu uns durch.

Der Grund dafür, dass nur die kurzen Wellenlängen absorbiert werden, ist ziemlich interessant – aber das ist eine andere Geschichte.

Wie Rob Jeffries sagt, besteht das Universum größtenteils aus leerem Raum. Ein Photon kann problemlos Tausende von Lichtjahren zurücklegen, ohne mit irgendetwas zu interagieren. Der größte Teil der Wechselwirkung würde auftreten, wenn Photonen in die Erdatmosphäre eintreten. Das Hubble vermeidet dies. Diese Fotos stammen höchstwahrscheinlich aus der Kombination mehrerer Beobachtungssitzungen, die im Grunde einen längeren Zeitraum für die Beobachtung der Galaxie ergeben.

Es gibt ein Missverständnis in Ihrer Frage, von dem ich glaube, dass die anderen Antworten nicht angesprochen wurden.

Wenn sich das von der Galaxie ausgestrahlte Licht in alle Richtungen ausbreitet, wie kommt es dann, dass wir immer noch die gesamte Galaxie kartieren können?

Licht wird von der Galaxie in alle Richtungen emittiert. Nur ein winziger, winziger Bruchteil davon wird zur Erde geleitet, und davon wird ein noch winzigerer Bruchteil von einem bestimmten Teleskop gesammelt. Aber wir können es immer noch sehen, weil Galaxien sehr, sehr hell sind. Andromeda enthält etwa eine Billion Sterne.

Tut mir leid, wenn diese Logik etwas kreisförmig erscheint, aber wir können unverdeckte Bilder von Galaxien erhalten, weil sie unverdeckt sind.

Wie bereits erwähnt, ist der Weltraum wirklich sehr groß und wirklich sehr leer. Das ist für uns schwer vorstellbar, weil so viel Zeug direkt neben uns liegt – aber das ist eigentlich ein wirklich ungewöhnlicher Zustand. Der nächste Stern zur Sonne ist über 4 Lichtjahre entfernt, aber wir bekommen fast das gesamte (99,9999999999...%) Licht von ihm, das in unsere Richtung geht – das Gleiche gilt für weiter entferntes Licht – wir bekommen eine riesige Anzahl davon Photonen, die von sehr weit entfernten Objekten zu uns gesendet werden.

Hubble verwendet auch die einfachen Kameratechniken der Linsen und Langzeitbelichtungen, um Bilder von entfernten Objekten aufzunehmen – so wird mehr Licht empfangen, um das Bild zu konstruieren.

Aber andererseits ist es fast unmöglich, ein Bild von einer Galaxie (oder einem Stern) zu machen, die sich hinter einer anderen Galaxie oder Staubwolke befindet. Zum Beispiel können wir nicht einfach über das Zentrum unserer eigenen Galaxie hinaussehen, weil viel Staub, Gas und Sterne im Weg sind. Das Bild in Ihrer Frage hingegen scheint Andromeda zu sein, das sich über der Ebene der Galaxie befindet. Unsere Galaxie ist im Vergleich zu ihrem Durchmesser ziemlich dünn, und wir sind ein gutes Stück außerhalb des galaktischen Zentrums, was bedeutet, dass viel weniger Zeug im Weg ist.

Und es gibt einige Galaxien , von denen wir Bilder gemacht haben, die von Staub verdeckt sind:

Es gab bereits einige gute Antworten, aber ich möchte meinen Zwei-Penny-Wert hinzufügen:

Wie haben wir Fotos von so weit entfernten Galaxien?

Weil es zwischen ihnen und uns nicht viel gibt, was das Licht stört, das unsere Kameras erreicht.

Eine mögliche Antwort darauf ist, dass das von den Galaxien ausgestrahlte Licht eine Milliarde Kilometer bis zur Erde zurücklegte, wo das Hubble-Weltraumteleskop dieses Licht durch seine Sensoren aufnahm und in der Lage war, ein Bild der Galaxie zu erstellen

Bis zum Saturn sind es eine Milliarde Meilen . Nun, tatsächlich variiert die Entfernung mit den Umlaufbahnen, aber siehe diesen Artikel von Space.com : „Am weitesten entfernt, wenn sie auf gegenüberliegenden Seiten der Sonne liegen, sind sie etwas mehr als eine Milliarde Meilen (1,7 Milliarden km) voneinander entfernt.“ . Die Andromeda-Galaxie ist etwa fünfzehn Milliarden Milliarden Meilen entfernt. Oder ungefähr fünfzehn Quintillionen Meilen.

aber wenn dies wahr ist und Galaxien Milliarden von Kilometern entfernt sind, sollten die Lichtteilchen, die von den Galaxien emittiert werden, nicht überall verstreut sein?

Vergessen Sie nicht, dass Photonen eine E = hf-Wellennatur haben. Und dass man, obwohl sie in der Luft verstreut sind, immer noch den Mond sehen kann. Ja, es gibt ein bisschen Licht, das sich im Weltraum verirrt. Aber nicht so sehr, dass der Nachthimmel ein leerer, nebliger Dunst wäre. Auch Saturn ist zu sehen. Und die Sterne. Und die Galaxien, aber sie sind ziemlich dunkel .

Schließlich sind sie seit Millionen von Jahren unterwegs und wahrscheinlich mit Asteroiden und anderen Fremdkörpern kollidiert. Wie hoch war die Wahrscheinlichkeit, dass etwa 95 % der Photonen tatsächlich die Erde erreichten und uns ein sehr detailliertes Bild lieferten.

Die Chancen stehen gut. Wir haben Bilder von Planeten und Dingen, weil die Chancen hoch sind.

Betrachten Sie die Andromeda-Galaxie, die eine Entfernung von 1,492 × 10^19 Meilen von der Erde hat. Wenn sich das von der Galaxie ausgestrahlte Licht in alle Richtungen ausbreitet, wie kommt es dann, dass wir immer noch die gesamte Galaxie kartieren können, was auf dem Foto unten ersichtlich ist?

Wenn ich mit Lichtern bedeckt wäre, würde ich Licht in alle Richtungen aussenden, und Sie würden mich sehen, weil ein Teil dieses Lichts in Ihr Auge fällt. Die Andomeda-Galaxie ist ähnlich.

Sollte nicht etwa die Hälfte der Galaxie fehlen, da Photonen andere Objekte getroffen haben könnten und "nie die Erde erreicht haben"?

Nein. Und wenn die Hälfte der Photonen die Erde nicht erreichen würde, würden Sie nur eine dunklere Galaxie sehen, das ist alles.

Lassen Sie mich einige einfache Erklärungen geben.

Nein nein Nein. 95 % der Photonen erreichen die Erde nicht. Selbst wenn 5% der Photonen, die (innerhalb weniger Sekunden) nur von einem Stern, sagen wir, von unserer Sonne emittiert werden, die Erde erreicht hätten, wäre unser Planet vollständig versengt worden! Nun denn, Andromeda hat Hunderte von Milliarden Sternen (oder Sonnen). Nichts davon erreicht uns, außer einer verschwindend kleinen Zahl. Es ist verblüffend, wie gering der Prozentsatz der Photonen ist, die uns erreichen! Sie können versuchen, das ganz grob zu berechnen. Es ist sehr einfach zu berechnen, wie viel Prozent der von der Sonne ausgesandten Photonen die Erde erreichen. Und die Sonne ist nur 8 Minuten von der Erde entfernt, während Andromeda mehr als 2,5 Millionen Jahre entfernt ist! Es ist also eigentlich gar nicht so schwer sich vorzustellen, wie viele Photonen uns erreichen.

Nun, warum blockieren Asteroiden, Planeten oder Sterne nicht alles? Andromeda ist viel zu groß, um so blockiert zu werden! Es ist einfacher, die Sicht auf den Pazifischen Ozean aus dem Weltraum zu blockieren, indem Sie ein paar Staubkörner dazwischen platzieren! Der Durchmesser von Andromeda beträgt mehr als 200 Millionen Lichtjahre. Können wir es sperren? Tatsächlich kann es von etwas so Großem wie einem Nebel in der Nähe unseres Sonnensystems blockiert werden. Ein solcher Nebel muss viele Lichtjahre im Durchmesser haben; es muss dicht genug sein; und nicht zu weit weg. Zum Glück versperrt nichts dergleichen unsere Sicht auf diese wunderschöne Galaxie. Es passiert jedoch mit einigen anderen Galaxien und Weltraumobjekten. Sehr weit entfernte Nebel werden Andromeda nicht aus unserer Sicht versperren, da sie vor dem viel weiter entfernten Hintergrund von Andromeda viel zu klein aussehen würden.

Warum wird Licht nicht gestreut? Warum sollte es so stark verstreut sein, um Andromeda verschwommen zu machen? Wenn der Mond am Horizont steht, wandert sein Licht durch viele hundert Kilometer dichte Atmosphäre fast parallel zur Erdoberfläche; Dennoch können wir unsere Teleskope darauf richten und die verschiedenen Merkmale des Mondes sehen. Es wäre keine sehr saubere Aussicht, aber wir würden trotzdem viel sehen. Nun bewegt sich das Licht im Weltraum durch ein fast vollständiges Vakuum, besonders leer ist die Leere zwischen den Galaxien. Es gibt also keinen Grund, das Licht zu stark zu streuen. Photonen und viele andere Teilchen sind stabil genug und können viel größere Entfernungen zurücklegen: Milliarden von Lichtjahren. Eine andere Sichtweise ist die Frage, wie viel Photonen von ihrer geraden Bahn abweichen sollten, damit Andromeda für uns verschwommen wird. Nun, sie müssen viel seitwärts gehen, und dafür ist der Durchmesser von Andromeda zu groß. Das erscheint nicht logisch, da sich Photonen in geraden Linien bewegen. Große Objekte wie Sterne und Schwarze Löcher werden ihren Weg beeinflussen, aber der Durchmesser von Andromeda ist so groß, dass dies keine Option ist, es sei denn, wir platzieren künstlich Billionen von Schwarzen Löchern entlang der Linie zwischen Andromeda und unserem Sonnensystem, um zu versuchen, das zu verzerren Bild von Andromeda oder um diese schwarzen Löcher dazu zu bringen, das gesamte Licht der Galaxie zu verschlingen! Wenn Astronomen also sagen, dass das meiste Licht uns erreicht, meinen sie, dass der intergalaktische Raum fast vollständig vakuum ist und die Photonen, die genau in unsere Richtung gehen, „frei“ sind. Allerdings gehen nur verschwindend wenige davon genau in unsere Richtung und es reicht immer noch für schöne Fotos. Wieso den? Deshalb: Das erscheint nicht logisch, da sich Photonen in geraden Linien bewegen. Große Objekte wie Sterne und Schwarze Löcher werden ihren Weg beeinflussen, aber der Durchmesser von Andromeda ist so groß, dass dies keine Option ist, es sei denn, wir platzieren künstlich Billionen von Schwarzen Löchern entlang der Linie zwischen Andromeda und unserem Sonnensystem, um zu versuchen, das zu verzerren Bild von Andromeda oder um diese schwarzen Löcher dazu zu bringen, das gesamte Licht der Galaxie zu verschlingen! Wenn Astronomen also sagen, dass das meiste Licht uns erreicht, meinen sie, dass der intergalaktische Raum fast vollständig vakuum ist und die Photonen, die genau in unsere Richtung gehen, „frei“ sind. Allerdings gehen nur verschwindend wenige davon genau in unsere Richtung und es reicht immer noch für schöne Fotos. Wieso den? Deshalb: Das erscheint nicht logisch, da sich Photonen in geraden Linien bewegen. Große Objekte wie Sterne und Schwarze Löcher werden ihren Weg beeinflussen, aber der Durchmesser von Andromeda ist so groß, dass dies keine Option ist, es sei denn, wir platzieren künstlich Billionen von Schwarzen Löchern entlang der Linie zwischen Andromeda und unserem Sonnensystem, um zu versuchen, das zu verzerren Bild von Andromeda oder um diese schwarzen Löcher dazu zu bringen, das gesamte Licht der Galaxie zu verschlingen! Wenn Astronomen also sagen, dass das meiste Licht uns erreicht, meinen sie, dass der intergalaktische Raum fast vollständig vakuum ist und die Photonen, die genau in unsere Richtung gehen, „frei“ sind. Allerdings gehen nur verschwindend wenige davon genau in unsere Richtung und es reicht immer noch für schöne Fotos. Wieso den? Deshalb: wie Sterne und schwarze Löcher ihren Weg beeinflussen, aber der Durchmesser von Andromeda ist so groß, dass dies keine Option ist, es sei denn, wir platzieren künstlich Billionen von schwarzen Löchern entlang der Linie zwischen Andromeda und unserem Sonnensystem, um das Bild von Andromeda zu verzerren oder um diese schwarzen Löcher dazu zu bringen, das gesamte Licht der Galaxie zu verschlingen! Wenn Astronomen also sagen, dass das meiste Licht uns erreicht, meinen sie, dass der intergalaktische Raum fast vollständig vakuum ist und die Photonen, die genau in unsere Richtung gehen, „frei“ sind. Allerdings gehen nur verschwindend wenige davon genau in unsere Richtung und es reicht immer noch für schöne Fotos. Wieso den? Deshalb: wie Sterne und schwarze Löcher ihren Weg beeinflussen, aber der Durchmesser von Andromeda ist so groß, dass dies keine Option ist, es sei denn, wir platzieren künstlich Billionen von schwarzen Löchern entlang der Linie zwischen Andromeda und unserem Sonnensystem, um das Bild von Andromeda zu verzerren oder um diese schwarzen Löcher dazu zu bringen, das gesamte Licht der Galaxie zu verschlingen! Wenn Astronomen also sagen, dass das meiste Licht uns erreicht, meinen sie, dass der intergalaktische Raum fast vollständig vakuum ist und die Photonen, die genau in unsere Richtung gehen, „frei“ sind. Allerdings gehen nur verschwindend wenige davon genau in unsere Richtung und es reicht immer noch für schöne Fotos. Wieso den? Deshalb: es sei denn, wir platzieren künstlich Billionen von Schwarzen Löchern entlang der Linie zwischen Andromeda und unserem Sonnensystem, um zu versuchen, das Bild von Andromeda zu verzerren oder diese Schwarzen Löcher dazu zu bringen, das gesamte Licht der Galaxie zu verschlingen! Wenn Astronomen also sagen, dass das meiste Licht uns erreicht, meinen sie, dass der intergalaktische Raum fast vollständig vakuum ist und die Photonen, die genau in unsere Richtung gehen, „frei“ sind. Allerdings gehen nur verschwindend wenige davon genau in unsere Richtung und es reicht immer noch für schöne Fotos. Wieso den? Deshalb: es sei denn, wir platzieren künstlich Billionen von Schwarzen Löchern entlang der Linie zwischen Andromeda und unserem Sonnensystem, um zu versuchen, das Bild von Andromeda zu verzerren oder diese Schwarzen Löcher dazu zu bringen, das gesamte Licht der Galaxie zu verschlingen! Wenn Astronomen also sagen, dass das meiste Licht uns erreicht, meinen sie, dass der intergalaktische Raum fast vollständig vakuum ist und die Photonen, die genau in unsere Richtung gehen, „frei“ sind. Allerdings gehen nur verschwindend wenige davon genau in unsere Richtung und es reicht immer noch für schöne Fotos. Wieso den? Deshalb: nur verschwindend wenige davon gehen genau in unsere Richtung und es reicht immer noch für schöne Fotos. Wieso den? Deshalb: nur verschwindend wenige davon gehen genau in unsere Richtung und es reicht immer noch für schöne Fotos. Wieso den? Deshalb:

Die absolute Helligkeit (relative Leuchtkraft gegenüber der eines Objekts$40$mal heller als die Sonne in einer Entfernung von$33$Lichtjahre entfernt) von Andromeda ist in der Nähe$-21.5$. Unsere Sonne ist nur da$5$. Je höher die Zahl, desto dunkler das Objekt. Ein Objekt mit einer absoluten Größe von$1$wäre$2.5^{5-1}=40$mal heller als die Sonne. Der Unterschied zwischen Andromeda und unserer Sonne ist$-21.5-5=-26.5$. Dies bedeutet, dass Andromeda sehr grob ist$2.5^{26.5}\approx 40,000,000,000$mal heller als die Sonne.

Wie groß er am Nachthimmel ist, nun, in Längsrichtung hat er ungefähr den sechsfachen Durchmesser des Mondes, aber man sieht nur den hellen zentralen Teil. Um das ganze Ausmaß zu sehen, benötigen Sie ein Teleskop mit großer Öffnung und Langzeitbelichtungsaufnahmen, um mehr Licht zu sammeln und ein besseres, detaillierteres Bild zu erzeugen.

Hoffe, diese primitive Erklärung wird etwas helfen. Andromeda ist heute sichtbar, wenn das Wetter es zulässt :)