Wird mehr Licht von Andromeda in der Atmosphäre gestreut als auf der gesamten Reise zur Erde?

Klar, machen wir die Größenordnungsrechnung! Laut Wikipedia:

In kühlen, dichten Regionen des ISM liegt Materie hauptsächlich in molekularer Form vor und erreicht Zahlendichten von$10^6$Moleküle pro$\text{cm}^3$. In heißen, diffusen Regionen des ISM ist Materie hauptsächlich ionisiert, und die Dichte ist [$10^{−4}$zu$10^{-2}$] Ionen pro$\text{cm}^3$. Vergleichen Sie dies mit einer Zahlendichte von ungefähr$10^{19}$Moleküle pro$\text{cm}^3$für Luft auf Meereshöhe.

Die Entfernung zu Andromeda beträgt$2.5 \times 10^6$Lichtjahre, während die Dicke der Erdatmosphäre in der Größenordnung von liegt$20$Kilometer. (Es erstreckt sich technisch viel höher, aber die Dicke nimmt schnell ab.) Dann ist das Verhältnis der Abstände

$$\frac{\text{Andromeda distance}}{\text{atmosphere height}} \sim 10^{18}.$$ An diesem Punkt würden wir dies naiverweise mit dem Verhältnis der Dichten multiplizieren und es einen Tag nennen, aber es ist entscheidend, den Verlustmechanismus zu berücksichtigen.

• Die Atmosphäre besteht hauptsächlich aus$N_2$und$O_2$, die Rayleigh-Streuung durchführen. Dies ist die Art, die bei blauem Licht viel häufiger auftritt als bei rotem, was erklärt, warum der Himmel blau und Sonnenuntergänge rot sind.
• Kühle Regionen des interstellaren Mediums sind meistens$H$oder$H_2$, und Wasserstoff absorbiert nur wenige diskrete Frequenzen des sichtbaren Lichts. Diese Effekte sind wichtig für Astronomen, aber nicht zu wichtig für die Farben, die Sie sehen. Das heißt, die kühlen Regionen spielen keine Rolle, was wichtig ist, um die richtige Antwort zu erhalten, da sie viel dichter sind als die heißen Regionen!
• Heiße Regionen des interstellaren Mediums bestehen hauptsächlich aus ionisiertem Wasserstoff. Der dominierende Effekt sollte die Thomson-Streuung an den freien Elektronen sein.

Da nur die heißen Regionen von Bedeutung sind, konzentrieren wir uns auf diese und nehmen an, dass die gesamte Linie zwischen der Erde und Andromeda heiß ist. Standardnummern nachschlagen, für blaues Licht haben wir

$$N_2 \text{ Rayleigh cross section} \sim 2 \times 10^{-26} \, \text{cm}^2$$ und der Thomson-Querschnitt wellenlängenunabhängig ist, $$e^- \text{ Thomson cross section} \sim 7 \times 10^{-25} \, \text{cm}^2.$$ Diese sind nahe genug, dass wir den Unterschied einfach vernachlässigen können, also müssen wir nur die Gesamtentfernung und -dichte vergleichen. Das Verhältnis der Dichten beträgt ca $10^{19}/10^{-3} = 10^{22}$, also haben wir $$\frac{\text{ISM effect}}{\text{atmosphere effect}} \sim \frac{10^{18}}{10^{22}} \sim 10^{-4}.$$ Es sieht so aus, als ob der ganze Raum zwischen uns und Andromeda weniger Wirkung hat als die Atmosphäre allein.

Bearbeiten: Wie Joshua (ein echter Astrophysiker, im Gegensatz zu mir, ein normaler Physiker, der gerade ein paar Zehnerpotenzen multipliziert hat) darauf hingewiesen hat, ist die ISR außerhalb von Galaxien viel spärlicher, also hätte ich eher die Größe einer Galaxie verwenden sollen als die volle Entfernung zwischen Galaxien. Ein viel größerer Effekt kommt auch von der Rayleigh-Streuung an interstellarem Staub, die sich auf 20 % beläuft. Dies kommt dem Effekt der Atmosphäre relativ nahe .