¿Cómo tenemos fotos de galaxias tan lejanas?

Hay dos razones por las que a menudo, pero no siempre, la luz de las galaxias a millones e incluso miles de millones de años luz de distancia atraviesa el Universo y llega hasta nosotros:

1. Primero, el medio intergaláctico (IGM) es extremadamente diluido. La densidad numérica de las partículas es del orden$n\sim10^{-7}\,\mathrm{cm}^{-3}$, ¡o aproximadamente 26 órdenes de magnitud menor que el aire al nivel del mar! Eso significa que si consideras un tubo de Andrómeda a la Vía Láctea con un área transversal de$1\,\mathrm{cm}^{2}$, contendrá aproximadamente un microgramo de materia (gracias a Rob Jeffries por captar un factor$10^6$error).

2. En segundo lugar, incluso si un fotón se acerca a un átomo, solo será absorbido si su energía coincide estrechamente con alguna transición en el átomo. Dado que la mayoría de los átomos están ionizados (y, por lo tanto, deberían llamarse plasma, pero en astronomía a menudo no se hace la distinción), no hay electrones para absorber el fotón. Es más probable que los fotones interactúen con los electrones libres a través de la dispersión de Thomson, pero la sección transversal de Thomson es inmensamente pequeña.$(\sim10^{-24}\,\mathrm{cm}^{2})$, por lo que incluso si considera los fotones CMB , que han viajado por el Universo casi desde el Big Bang, solo alrededor del 5% de ellos han interactuado con electrones en su camino.

En otras palabras: la cantidad de luz transmitida depende de dos factores: 1) la cantidad de materia a lo largo de la línea de visión y 2) la capacidad de esa materia para absorber la luz. En el IGM, ambos son tremendamente pequeños. Cuando la luz ingresa al medio interestelar ( ISM ) dentro de nuestra galaxia, puede encontrar nubes más densas con átomos que pueden absorber la luz. Pero por lo general (aunque no siempre) "denso" sigue siendo muy diluido en comparación con la atmósfera de la Tierra.

En general, si un haz de luz atraviesa una región de partículas, cada una con una sección transversal$\sigma$(medido por ejemplo en cm$^2$), pasando$N$partículas por área del haz (medidas, por ejemplo, en cm$^{-2}$), entonces la opacidad del medio viene dada por la profundidad óptica $\tau$, definido por

La siguiente figura (de aquí ) muestra el espectro de un quásar que se encuentra a una distancia de 22 mil millones de años luz, es decir$10\,000$veces más lejos que Andrómeda. Verá que hay varias líneas de absorción delgadas (causadas por nubes de hidrógeno intermedias cuyas densidades son un factor de 10 a 100 más alto que el IGM), pero aún así la mayor parte de la luz nos llega.

Debido a que la luz que vemos de este quásar se emitió hace mucho tiempo, el Universo era considerablemente más pequeño en ese momento y, por lo tanto, la densidad era mayor. No obstante, sólo se absorbe una pequeña fracción. Cuanto más lejos se emite la luz, hace más tiempo que fue, lo que significa un Universo más pequeño y una mayor densidad, y por lo tanto se absorbe más luz. Si considera este cuásar (desde aquí ) que se encuentra a 27 mil millones de años luz de distancia, verá que se absorbe mucha más luz en una parte del espectro. Aún así, sin embargo, mucha luz llega hasta nosotros.

La razón por la que solo se absorben las longitudes de onda cortas es bastante interesante, pero esa es otra historia.

Como dice Rob Jeffries, el universo es en su mayor parte espacio vacío. Un fotón puede viajar fácilmente miles de años luz sin interactuar con nada. La mayor parte de la interacción ocurriría cuando los fotones entraran en la atmósfera terrestre. El Hubble evita esto. Lo más probable es que estas fotos se debieron a la combinación de varias sesiones de visualización, lo que proporcionó básicamente un período de tiempo prolongado para observar la galaxia.

Hay un concepto erróneo en su pregunta que no creo que hayan abordado las otras respuestas.

Si la luz emitida por la galaxia viaja en todas las direcciones, entonces, ¿cómo es que aún podemos trazar un mapa de toda la galaxia?

La luz se emite desde la galaxia en todas las direcciones. Solo una diminuta fracción de ella se dirige a la Tierra, y de eso, una fracción aún más pequeña es recolectada por cualquier telescopio dado. Pero aún podemos verlo, porque las galaxias son muy, muy brillantes. Andrómeda contiene alrededor de un billón de estrellas.

Lo siento si esta lógica parece un poco circular, pero podemos obtener imágenes claras de galaxias porque no están ocultas.

Como se ha mencionado, el espacio es muy, muy grande y muy, muy vacío. Esto es difícil de contemplar para nosotros, porque hay muchas cosas a nuestro lado, pero en realidad es una condición realmente inusual. La próxima estrella al Sol está a más de 4 años luz de distancia, pero recibimos casi toda (99.9999999999...%) la luz que se dirige en nuestra dirección, lo mismo con la luz de más lejos, obtenemos una gran cantidad de fotones enviados a nosotros desde objetos muy lejanos.

Hubble también utiliza técnicas de cámara simples de lentes y exposiciones prolongadas para tomar imágenes de objetos distantes, por lo que se recibe más luz para construir la imagen.

Pero, la otra parte de esto, es casi imposible tomar una fotografía de una galaxia (o estrella) que está detrás de otra galaxia o nube de polvo. Por ejemplo, no podemos ver fácilmente más allá del centro de nuestra propia galaxia porque hay mucho polvo, gas y estrellas en el camino. La imagen de tu pregunta, por otro lado, parece ser Andrómeda, que está sobre el plano de la galaxia. Nuestra galaxia es bastante delgada en comparación con su diámetro, y estamos bastante lejos del centro galáctico, lo que significa que hay muchas menos cosas en el camino.

Y hay algunas galaxias de las que hemos tomado imágenes que están oscurecidas por el polvo:

Ya ha habido algunas buenas respuestas, pero me gustaría agregar mi valor de dos centavos:

¿Cómo tenemos fotos de galaxias tan lejanas?

Porque no hay mucho entre ellos y nosotros que interfiera con la luz que llega a nuestras cámaras.

Una posible respuesta para esto es que la luz emitida por las galaxias viajó mil millones de millas hasta la Tierra, donde el telescopio espacial Hubble recogió esta luz a través de sus sensores y pudo construir una imagen de la galaxia.

Son mil millones de millas hasta Saturno . Bueno, en realidad la distancia varía con las órbitas, pero mira este artículo de Space.com : "En su punto más distante, cuando se encuentran en lados opuestos del sol entre sí, están separados por poco más de mil millones de millas (1.700 millones de kilómetros)". . La galaxia de Andrómeda está a alrededor de quince billones de billones de millas de distancia. O alrededor de quince trillones de millas.

pero si esto es cierto, y las galaxias están a miles de millones de millas de distancia, ¿no deberían las partículas de luz emitidas por las galaxias esparcirse por todo el lugar?

No olvide que los fotones tienen una naturaleza de onda E=hf. Y que aunque estén esparcidos por el aire, aún se puede ver la Luna. Sí, hay un poco de luz extraviada en el espacio. Pero no tanto como para que el cielo nocturno sea una especie de niebla vacía. También puedes ver a Saturno. y las estrellas Y las galaxias, pero son bastante tenues .

después de todo, han estado viajando durante millones de años y probablemente han chocado con asteroides y otros objetos extraños. ¿Cuáles eran las posibilidades de que alrededor del 95% de los fotones llegaran a la tierra, dándonos una imagen muy detallada?

Las posibilidades son altas. Tenemos fotos de planetas y cosas porque las posibilidades son altas.

Considere la galaxia de Andrómeda, que tiene una distancia de 1.492 × 10^19 mi de la tierra. Si la luz emitida por la galaxia viaja en todas las direcciones, entonces, ¿cómo es que todavía podemos trazar un mapa de toda la galaxia, evidente en la foto de abajo?

Si estuviera cubierto de luces, emitiría luz en todas las direcciones y me verías porque parte de esa luz entra en tu ojo. La galaxia de Andómeda es similar.

¿No debería faltar la mitad de la galaxia ya que los fotones podrían haber golpeado otros objetos y "nunca haber llegado a la tierra"?

No. Y si la mitad de los fotones no llegaran a la Tierra, solo verías una galaxia más tenue, eso es todo.

Permítanme dar algunas explicaciones simples.

No no no. El 95% de los fotones no llegan a la Tierra. Incluso si el 5% de los fotones emitidos (en unos pocos segundos) solo por una estrella, digamos, por nuestro Sol hubieran llegado a la Tierra, ¡nuestro planeta se habría quemado por completo! Ahora bien, Andrómeda tiene cientos de miles de millones de estrellas (o soles). Nada de eso nos llega, excepto un número infinitesimalmente pequeño. ¡Es alucinante lo pequeño que es el porcentaje de fotones que nos llegan! Puedes tratar de calcular eso muy aproximadamente. Es muy fácil calcular qué porcentaje de fotones emitidos por el Sol llegan a la Tierra. ¡Y el Sol está a solo 8 minutos de la Tierra, mientras que Andrómeda está a más de 2,5 millones de años! Entonces, en realidad, no es tan difícil imaginar cuántos fotones nos llegan.

Ahora bien, ¿por qué los asteroides, los planetas o las estrellas no bloquean todo? ¡Andrómeda es demasiado grande para ser bloqueada así! ¡Es más fácil bloquear la vista del Océano Pacífico desde el espacio colocando algunas motas de polvo en el medio! El diámetro de Andrómeda es de más de 200 millones de años luz. ¿Podemos bloquearlo de la vista? En realidad, puede estar bloqueado por algo tan grande como una nebulosa cerca de nuestro sistema solar. Tal nebulosa debe tener muchos años luz de diámetro; debe ser lo suficientemente denso; y no muy lejos. Afortunadamente, nada de eso bloquea esta hermosa galaxia de nuestra vista. Sin embargo, sucede con algunas otras galaxias y objetos del espacio profundo. En cuanto a las nebulosas muy distantes, no bloquearán a Andrómeda de nuestra vista porque se verán demasiado pequeñas contra el fondo de Andrómeda, que está mucho más lejos.

¿Por qué la luz no se dispersa? ¿Por qué debería estar tan disperso para hacer borrosa a Andrómeda? Cuando la Luna está en el horizonte, su luz viaja a través de muchos cientos de kilómetros de atmósfera densa casi paralela a la superficie de la Tierra; sin embargo, aún podemos enfocar nuestros telescopios en él y ver las diversas características de la Luna. No sería una vista muy limpia, pero aun así veríamos mucho. Ahora, en el espacio la luz viaja a través de un vacío casi total, especialmente vacío es el vacío entre las galaxias. Por lo tanto, no hay motivo para que la luz se disperse demasiado. Los fotones y muchas otras partículas son lo suficientemente estables y pueden viajar distancias mucho mayores: miles de millones de años luz. Otra forma de verlo es preguntarse cuánto deberían desviarse los fotones de su camino recto para que Andrómeda se vuelva borrosa para nosotros. Bueno, tienen que ir mucho de lado, y el diámetro de Andrómeda es demasiado grande para eso. Eso no parece lógico, ya que los fotones viajan en línea recta. Los objetos grandes, como estrellas y agujeros negros, afectarán su camino, pero el diámetro de Andrómeda es tan grande que no es una opción, a menos que coloquemos trillones de agujeros negros artificialmente a lo largo de la línea entre Andrómeda y nuestro sistema solar en un intento de deformar el imagen de Andrómeda o hacer que estos agujeros negros engullan toda la luz de la galaxia! Entonces, cuando los astrónomos dicen que la mayor parte de la luz nos llega, quieren decir que el espacio intergaláctico es un vacío casi total, y los fotones que van exactamente en nuestra dirección son "libres" para ir. Sin embargo, solo un número infinitesimalmente pequeño de ellos va exactamente en nuestra dirección y aún es suficiente para tomar buenas fotos. ¿Por qué? Es por eso: Eso no parece lógico, ya que los fotones viajan en línea recta. Los objetos grandes, como estrellas y agujeros negros, afectarán su camino, pero el diámetro de Andrómeda es tan grande que no es una opción, a menos que coloquemos trillones de agujeros negros artificialmente a lo largo de la línea entre Andrómeda y nuestro sistema solar en un intento de deformar el imagen de Andrómeda o hacer que estos agujeros negros engullan toda la luz de la galaxia! Entonces, cuando los astrónomos dicen que la mayor parte de la luz nos llega, quieren decir que el espacio intergaláctico es un vacío casi total, y los fotones que van exactamente en nuestra dirección son "libres" para ir. Sin embargo, solo un número infinitesimalmente pequeño de ellos va exactamente en nuestra dirección y aún es suficiente para tomar buenas fotos. ¿Por qué? Es por eso: Eso no parece lógico, ya que los fotones viajan en línea recta. Los objetos grandes, como estrellas y agujeros negros, afectarán su camino, pero el diámetro de Andrómeda es tan grande que no es una opción, a menos que coloquemos trillones de agujeros negros artificialmente a lo largo de la línea entre Andrómeda y nuestro sistema solar en un intento de deformar el imagen de Andrómeda o hacer que estos agujeros negros engullan toda la luz de la galaxia! Entonces, cuando los astrónomos dicen que la mayor parte de la luz nos llega, quieren decir que el espacio intergaláctico es un vacío casi total, y los fotones que van exactamente en nuestra dirección son "libres" para ir. Sin embargo, solo un número infinitesimalmente pequeño de ellos va exactamente en nuestra dirección y aún es suficiente para tomar buenas fotos. ¿Por qué? Es por eso: como las estrellas y los agujeros negros afectarán su camino, pero el diámetro de Andrómeda es tan grande que no es una opción, a menos que coloquemos trillones de agujeros negros a lo largo de la línea entre Andrómeda y nuestro sistema solar en un intento de distorsionar la imagen de Andrómeda. ¡o hacer que estos agujeros negros se traguen toda la luz de la galaxia! Entonces, cuando los astrónomos dicen que la mayor parte de la luz nos llega, quieren decir que el espacio intergaláctico es un vacío casi total, y los fotones que van exactamente en nuestra dirección son "libres" para ir. Sin embargo, solo un número infinitesimalmente pequeño de ellos va exactamente en nuestra dirección y aún es suficiente para tomar buenas fotos. ¿Por qué? Es por eso: como las estrellas y los agujeros negros afectarán su camino, pero el diámetro de Andrómeda es tan grande que no es una opción, a menos que coloquemos trillones de agujeros negros a lo largo de la línea entre Andrómeda y nuestro sistema solar en un intento de distorsionar la imagen de Andrómeda. ¡o hacer que estos agujeros negros se traguen toda la luz de la galaxia! Entonces, cuando los astrónomos dicen que la mayor parte de la luz nos llega, quieren decir que el espacio intergaláctico es un vacío casi total, y los fotones que van exactamente en nuestra dirección son "libres" para ir. Sin embargo, solo un número infinitesimalmente pequeño de ellos va exactamente en nuestra dirección y aún es suficiente para tomar buenas fotos. ¿Por qué? Es por eso: ¡a menos que coloquemos trillones de agujeros negros artificialmente a lo largo de la línea entre Andrómeda y nuestro sistema solar en un intento de distorsionar la imagen de Andrómeda o hacer que estos agujeros negros se traguen toda la luz de la galaxia! Entonces, cuando los astrónomos dicen que la mayor parte de la luz nos llega, quieren decir que el espacio intergaláctico es un vacío casi total, y los fotones que van exactamente en nuestra dirección son "libres" para ir. Sin embargo, solo un número infinitesimalmente pequeño de ellos va exactamente en nuestra dirección y aún es suficiente para tomar buenas fotos. ¿Por qué? Es por eso: ¡a menos que coloquemos trillones de agujeros negros artificialmente a lo largo de la línea entre Andrómeda y nuestro sistema solar en un intento de distorsionar la imagen de Andrómeda o hacer que estos agujeros negros se traguen toda la luz de la galaxia! Entonces, cuando los astrónomos dicen que la mayor parte de la luz nos llega, quieren decir que el espacio intergaláctico es un vacío casi total, y los fotones que van exactamente en nuestra dirección son "libres" para ir. Sin embargo, solo un número infinitesimalmente pequeño de ellos va exactamente en nuestra dirección y aún es suficiente para tomar buenas fotos. ¿Por qué? Es por eso: solo un número infinitesimalmente pequeño de ellos va exactamente en nuestra dirección y todavía es suficiente para tomar buenas fotos. ¿Por qué? Es por eso: solo un número infinitesimalmente pequeño de ellos va exactamente en nuestra dirección y todavía es suficiente para tomar buenas fotos. ¿Por qué? Es por eso:

La magnitud absoluta (luminosidad relativa frente a la de un objeto$40$veces más brillante que el Sol a una distancia de$33$años luz de distancia) de Andrómeda está alrededor$-21.5$. Nuestro Sol solo está alrededor$5$. Cuanto mayor sea el número, más tenue será el objeto. Un objeto con una magnitud absoluta de$1$sería$2.5^{5-1}=40$veces más brillante que el Sol. La diferencia entre Andrómeda y nuestro Sol es$-21.5-5=-26.5$. Esto significa que Andrómeda es muy aproximadamente$2.5^{26.5}\approx 40,000,000,000$veces más brillante que el Sol.

En cuanto a su tamaño en el cielo nocturno, bueno, a lo largo es aproximadamente seis veces el diámetro de la luna, pero solo puedes ver la parte central brillante. Para ver toda la extensión, necesita un telescopio de gran apertura y una fotografía de larga exposición para captar más luz y producir una imagen mejor y más detallada.

Espero que esta explicación primitiva sea de alguna ayuda. Andrómeda es visible hoy si el clima lo permite :)