¿Por qué no podemos ver las galaxias distantes a simple vista?

Seguramente si mirabas lo suficiente, la luz de ellos eventualmente te daría en el ojo.

La recolección de luz durante un largo período de tiempo es la forma en que los telescopios pueden ver objetos muy tenues. El sistema visual humano no funciona de esa manera.

Por un lado, incluso cuando crees que estás mirando algo, tus ojos todavía bailan un poco. Es una respuesta incorporada llamada microtemblores oculares. Estos microtemblores parecen ser una parte esencial para que el sistema de visión funcione.

Por otro lado, su ojo no capta ni puede recoger luz durante períodos de tiempo arbitrariamente largos (como lo hace un telescopio fotográfico). Hay una inmensa cantidad de procesamiento de señales que ocurre en el ojo y en el camino hacia el cerebro. Este procesamiento de la señal depende de que la luz se recopile durante cortos períodos de tiempo.

Nuestro sistema de visión evolucionó para ver comida, amigos y peligros en condiciones de buena iluminación. Somos muy buenos para ver el movimiento a plena luz del día. No somos tan buenos para ver objetos estacionarios, y no somos nada buenos para ver fuentes apenas visibles bajo cielos muy oscuros.

La astronomía a simple vista está limitada por la naturaleza del sistema de visión humano. El objeto más remoto que podemos ver es la galaxia Triangulum, y eso es solo en condiciones de cielos extremadamente oscuros y extremadamente claros.

No es una pregunta tonta, pero en realidad puedes ver galaxias distantes a simple vista. Desde el hemisferio norte, la galaxia de Andrómeda, nuestra galaxia vecina más grande, es visible si sabes dónde mirar, y se encuentra en un lugar razonablemente oscuro. Desde el hemisferio sur, son visibles las dos galaxias irregulares más pequeñas, pero más cercanas, llamadas Nubes de Magallanes Pequeña y Grande.

La razón por la que las galaxias más distantes no son visibles se debe a la ley del inverso del cuadrado : a medida que las partículas de luz (fotones) se alejan de la galaxia (o de cualquier otra fuente de luz), se distribuyen sobre una superficie cada vez mayor. Eso significa que un detector (por ejemplo, su ojo) de un área determinada captará menos fotones, cuanto más lejos se coloque de la galaxia. La ley dice que si en un intervalo de tiempo Δt en promedio detecta, digamos, 8 fotones a una distancia D, entonces en el mismo intervalo de tiempo, a una distancia 2D detectará 8/2 ² = 2 fotones. A una distancia de 4D, detectará 8/4 ² = 0,5 fotones. O, de manera equivalente, necesitará el doble de tiempo para detectar un solo fotón.

La conclusión es que, en principio, puedes ver las galaxias muy distantes, pero los fotones son tan pocos y llegan tan raramente que tu ojo no es un detector lo suficientemente bueno. El beneficio de un telescopio es que 1) tiene un área más grande que su ojo y 2) puede colocar una cámara en su punto focal en lugar de su ojo y tomar una fotografía con un tiempo de exposición mayor, es decir, aumentando el Δt.

Tu razonamiento sería válido no solo para las galaxias, sino también para las estrellas y todo lo que brilla en el Universo, pero hay un efecto importante que lo invalida: la absorción de la luz.

El medio intergaláctico e interestelar está lleno de polvo y gas, lo que contribuye a absorber y dispersar la luz de los objetos distantes. Especialmente en el plano de nuestra galaxia, todavía tenemos mucho gas y polvo (la Vía Láctea es una galaxia relativamente joven): de hecho, para mirar objetos distantes, intentamos orientar nuestros telescopios hacia el Lockman Hole , siempre que sea posible.

Esto es especialmente válido para la luz de baja frecuencia: a energías más altas, la dispersión y absorción de rayos X y rayos gamma de una cantidad estándar de material absorbente es insignificante (incluso si, cuanto más lejos mire, más jóvenes serán los objetos, más es el polvo y el gas disponibles que aún no están encerrados en estrellas).

Además, considere la paradoja de Olbers , que indica que un Universo en expansión explica el "cielo oscuro".

1. Pocos fotones: tienes pupilas diminutas. Solo los fotones que logran viajar esa distancia a lo largo de un camino que logra cruzarse con sus diminutas pupilas tendrán la oportunidad de ser vistos. Y solo algunos fotones que llegan a tu retina realmente interactúan con moléculas que registran su llegada.

2. Interferencia -- Las moléculas de la atmósfera, polvo en la atmósfera, reflejo/refracción de y en su ojo, polvo en el sistema solar, la nube de Oort, polvo interestelar en nuestra galaxia, polvo en el espacio intergaláctico, cualquier molécula a lo largo del camino, todos pueden absorber cualquiera de los pocos fotones y volver a emitirlos en una dirección diferente.

3. Estabilidad: los telescopios, especialmente como el Hubble, pueden ser realmente inmóviles en comparación con sus ojos. No solo sus ojos constantemente hacen pequeños cambios, sino que usted respira y su corazón late y otras cosas evitan que se formen imágenes muy tenues.

4. Exposición: la primera imagen de campo profundo del Hubble se recopiló durante unas 100 horas de exposición . Puede que le resulte difícil con sus ojos.

5. Retención: el tiempo de exposición afecta la cantidad de "datos" que se retienen sobre dónde los fotones han golpeado la superficie de grabación. Tus ojos no recordarán que un fotón se registró en un receptor incluso un minuto antes. Tus ojos no son nada buenos para la 'fotografía fija'.

6. Contaminación lumínica/expansión universal: el universo se ha estado expandiendo durante miles de millones de años. A medida que se expande, la luz que se propaga por el espacio se 'estira' más hasta el extremo rojo del espectro visible. Para las galaxias distantes, esto significa que la luz visible de ellas se ha desplazado lo suficiente como para ser infrarroja e invisible cuando llega aquí. Ahora, la luz ultravioleta también cambiaría, y parte de ella se volvería 'visible'. Pero luego comienza a mezclarse con cualquier efecto disperso de "contaminación lumínica" una vez que llega a nuestra atmósfera. Tus ojos no son nada buenos para hacer un seguimiento de qué fotones provienen de qué fuentes.

Probablemente haya otros factores, pero tal vez esos sean más que suficientes para indicar cuán grande es el problema. Tenga en cuenta que la primera imagen del Hubble de 100 horas fue una gran sorpresa para los astrónomos. Incluso con los grandes telescopios de recolección de luz disponibles anteriormente, no pudieron obtener suficiente luz para obtener datos útiles. Ese equipo anterior tenía pupilas mucho más grandes que las suyas, superficies de imagen más sensibles y podía 'estar quieto' mucho más tiempo que usted; y todavía tenía dificultades con las galaxias distantes.

Sólo porque puedes mantener los párpados abiertos durante$x$segundos no significa que estés recolectando luz para$x$segundos y usándolo para formar una sola imagen en su cerebro. ¿Cómo "guardarías" la foto? ¿Cómo decidiría cuándo terminar la recolección de luz? ¡Tú sabes tan bien como yo que no puedes simplemente quitar el dedo del disparador de tu cerebro!

Y eso se suma a todos los demás factores como se explica en otras respuestas (pero quería profundizar en este punto en particular un poco más que las otras respuestas).

Creo que su pregunta es una reformulación de lo que se conoce como "paradoja de Obler", es decir, si el universo es infinito, ¿por qué el cielo nocturno no es blanco, ya que tarde o temprano nuestra línea de visión golpea una estrella, e incluso si está muy lejos? Habría infinitas estrellas por ahí.

La respuesta a esto es (a) el Universo no es infinito o (b) el Universo no ha estado aquí desde siempre, por lo que incluso si es infinito, la luz de muy lejos aún no nos llegará.

El caso (b) generalmente se acepta, es decir, el Universo comenzó hace un tiempo finito en el "big bang", aunque (a) se discute, es decir, puede ser que el universo no sea infinito en cualquier caso.

¿Puede un ser humano ver un solo fotón?

El ojo humano es muy sensible, pero ¿podemos ver un solo fotón? La respuesta es que los sensores en la retina pueden responder a un solo fotón. Sin embargo, los filtros neuronales solo permiten que una señal pase al cerebro para desencadenar una respuesta consciente cuando llegan al menos entre cinco y nueve en menos de 100 ms. Si pudiéramos ver conscientemente fotones individuales, experimentaríamos demasiado "ruido" visual con muy poca luz, por lo que este filtro es una adaptación necesaria, no una debilidad.

Según este documento http://math.ucr.edu/home/baez/physics/Quantum/see_a_photon.html

Como esto no siempre es posible para galaxias distantes, no podemos ver galaxias distantes.

El núcleo de la pregunta ya ha sido respondido, pero aún es interesante ilustrar lo difícil que es hacer observaciones a simple vista de la extremadamente brillante galaxia cercana M81. El astrónomo Brian Skiff da cuenta de su exitosa observación a simple vista de esta galaxia aquí .

Ahora bien, las galaxias de un brillo dado son más difíciles de detectar que las estrellas del mismo brillo, debido a su naturaleza extendida. Si el cielo está lo suficientemente oscuro, entonces puede ver estrellas tan débiles como de magnitud 8, pero aún tendrá dificultades para detectar M81 que tiene un brillo de magnitud 7. La magnitud 7 es una cifra artificial que se obtiene al sumar la luz que llega. desde direcciones ligeramente diferentes.

Además, solo se necesita una cantidad muy pequeña de contaminación lumínica para hacer que el fondo del cielo se vuelva un poco gris y hacer que la galaxia desaparezca de la vista, mientras que la visibilidad de las estrellas débiles permanece esencialmente intacta. Esto se debe a que el brillo en función de la posición en el cielo en el caso de una estrella tiene un pico muy fuerte y estrecho mientras que en el caso de una galaxia, debido a su naturaleza extensa, no muestra un pico grande. El brillo integrado puede ser el mismo para ambos casos, pero la cantidad de luz de fondo que necesitas para hacer que la galaxia sea invisible es obviamente mucho menor que la que necesitas para la estrella.