Si nuestra galaxia es en su mayor parte espacio vacío, ¿por qué parece tan sólida?

Eres mayormente espacio vacío. Cada átomo en su cuerpo es muy pequeño en comparación con los espacios relativamente vastos entre él y sus vecinos más cercanos. Y lo mismo ocurre con cada objeto "sólido" que hayas visto.

Pero cuando te miras en un espejo, la cantidad de átomos que ves es tan increíblemente grande que no ves los espacios entre ellos, sino que piensas que tu cuerpo es un objeto sólido.

Y probablemente las longitudes de onda de la luz visible son demasiado largas para caber entre los átomos y, por lo tanto, rebotan en la superficie de su cuerpo.

Ese no es el caso de la galaxia, ya que los espacios entre las estrellas en la galaxia son lo suficientemente anchos para que todas las longitudes de onda de la luz pasen a través de ellos en lugar de reflejarse.

Pero si miras nuestra galaxia desde una distancia de alrededor de un millón de años luz, la separación promedio entre estrellas de alrededor de 6 años luz será un ángulo muy pequeño. Creo que a un millón de años luz de distancia, un segundo de arco tendrá unos 4.848 años luz de ancho.

La resolución angular máxima del ojo humano es de 28 segundos de arco o 0,47 minutos de arco,[19] esto da una resolución angular de 0,008 grados, y a una distancia de 1 km corresponde a 136 mm. Esto equivale a 0,94 minutos de arco por par de líneas (una línea blanca y una negra) o 0,016 grados. Para un par de píxeles (un píxel blanco y otro negro), esto da una densidad de píxeles de 128 píxeles por grado (PPD).

https://en.wikipedia.org/wiki/Visual_acuity#Fisiología[1]

Entonces, a una distancia de un millón de años luz, el detalle más pequeño que un humano podría ver sería de 28 segundos de arco, o 135,7 años luz de ancho. Entonces, lo más pequeño posible que podría ver sería un cuadrado de aproximadamente 136 por 136 años luz de ancho, y posiblemente contenga alrededor de 350 estrellas en una sola capa y todos los vastos espacios interestelares entre ellos.

Además, las galaxias no tienen una sola capa de profundidad. Dependiendo del tamaño de una galaxia, la distribución de estrellas dentro de ella y el ángulo desde el que se mire, un espectador puede ver decenas, cientos o miles de capas de estrellas una detrás de la otra. Las estrellas no están dispuestas en ningún tipo de patrón reticular regular, sino que orbitan alrededor del centro de la galaxia en órbitas separadas y sus posiciones relativas cambian lentamente, haciendo que sus posiciones relativas sean aleatorias.

Por lo tanto, los espacios vacíos entre las estrellas en la capa más externa de una galaxia mostrarán la luz de las estrellas más alejadas.

Entonces, cuando miras la galaxia desde una distancia de un millón de años luz, la parte más pequeña de la galaxia que puedes ver tendrá la luz de cientos o probablemente miles de estrellas mezcladas con el espacio negro entre ellas para formar una luz grisácea pálida.

Los objetos más lejanos que los humanos pueden ver a simple vista son la Galaxia de Andómeda M31, a unos 2 540 000 años luz de la Tierra, y la Galaxia Triangulum M33, a unos 3 200 000 años luz de la Tierra. Dado que están a varias veces un millón de años luz de distancia, la parte más pequeña de ellas que se puede ver a simple vista combinará la luz de incluso más miles de estrellas juntas.

Los astrónomos han fotografiado galaxias a decenas de millones, cientos de millones, miles de millones y decenas de miles de millones de años luz de distancia. Con telescopios astronómicos pueden detectar algunas estrellas individuales en galaxias a decenas de millones de años luz de distancia.

Pero cualquier fotografía que muestre una galaxia entera mostrará la luz de millones o miles de millones de estrellas borrosas juntas en una mancha de luz.

La transparencia real de algo depende de si un rayo de luz atraviesa el objeto o golpea algo, absorbiéndose o dispersándose. El área transversal total de las estrellas de una galaxia es microscópica. Esta es la razón por la que se puede ver la galaxia de fondo a través de la galaxia de primer plano en NGC3314 :

Sin embargo, el polvo puede ser realmente opaco en este sentido. Si tienes un volumen$V$de la materia y dividirla en$N$piezas convexas, tendrán área media$\propto (V/N)^{2/3}$y sección transversal promedio 1/4 de eso . Pero hay$N$piezas, por lo que el área total de la sección transversal se comportará como$N^{-2/3}\times N \propto N^{1/3}$: a medida que aumenta el número de piezas, el área de luz de sombreado crece a pesar de que es menos probable que cada pieza individualmente cubra cualquier rayo dado. Esta es la razón por la cual el polvo interestelar puede formar nubes oscuras y carriles que en realidad ocultan cosas detrás de ellos a pesar de tener una masa total pequeña (es opaco en luz visible, son transparentes en otras longitudes de onda). Algunas galaxias polvorientas pueden ser bastante opacas , pero el polvo suele concentrarse en algunas regiones dejando el resto transparente.

La transparencia aparente también depende de si la luz emitida por el objeto eclipsa la luz tenue que lo atraviesa. Una galaxia cercana será mucho más brillante que una galaxia remota detrás de ella, por lo que será difícil distinguirla contra el resplandor del primer plano.

Una forma de pensar en esto es pensar en lo que, por ejemplo, vería (¡ve!) un sensor digital al observar una galaxia. Incluso si no hay polvo para dispersar la luz (lo que a menudo hay), si hay, en la mayoría de los casos, una o más (generalmente 'más') estrellas en la parte de la imagen cubierta por un píxel en el sensor, entonces eso el píxel estará al menos parcialmente encendido. Por lo tanto, la galaxia se verá como un objeto más o menos sólidamente brillante. Solo cuando obtiene ampliaciones lo suficientemente altas como para que el píxel promedio del sensor no cubra parte de la imagen que tiene una estrella, comenzará a ver la galaxia por lo que es, que es algo que no es sólidamente brillante. objeto.

Obviamente, los ojos y la película no son completamente lo mismo que los sensores digitales, pero se aplica lo mismo.

Primero, tiene razón en que las galaxias son en su mayoría espacios vacíos, al menos en términos de estrellas. La Vía Láctea puede tener hasta 400 mil millones de estrellas, mientras que Andrómeda tiene aproximadamente dos veces y media ese número. Para la Vía Láctea que sale en promedio aproximadamente una estrella cada cuatro años luz.

Sin embargo, vistas desde la distancia, esas estrellas son extremadamente brillantes contra un fondo oscuro. Cuatrocientos millones de cualquier cosa en un brillo de 6x10 se verán como un montón.

Pero las galaxias son más que estrellas; también hay una enorme cantidad de gas y polvo, con fragmentos de roca más grandes dispersos. Parte de la luz de esas estrellas interactúa con ese gas y polvo, a veces reflejándose y otras veces absorbiendo y reemitiendo. Esto dispersa la luz de la misma manera que una pantalla de lámpara dispersa la luz de una bombilla. Parece como si la pantalla de la lámpara fuera una masa sólida de algo, pero es, de hecho, una ilusión, por así decirlo, causada por la dispersión o difusión de una luz central mucho más pequeña. Es posible que haya visto globos muy grandes encendidos con una luz relativamente pequeña; la totalidad del globo parece brillar.

Este globo está iluminado por un pequeño LED. Recuerde, sin embargo, que es el gas y el polvo, en lugar de cualquier tipo de membrana, lo que difunde la luz en las galaxias, y que el polvo y el gas pueden ser iluminados por cualquier número de estrellas. Entonces, la combinación de distancias extremas, un gran número de estrellas y la difusión del polvo y el gas, en contraste con la oscuridad del espacio que rodea a las galaxias, es esencialmente el efecto que estamos observando y les da a las galaxias su apariencia "sólida".

No confíes en tus ojos cuando te digan que algo es sólido.

Recuerde que las estrellas son soles.

Entonces, si nuestra galaxia fuera realmente sólida, mirarías directamente la superficie de una estrella en cada punto de la Vía Láctea, y eso significaría una banda en el cielo donde cada punto brilla tan intensamente como el sol. Entonces la Vía Láctea sería 100 veces más brillante que la luz del día de nuestro sol.

Todos sabemos que esto no es cierto.

Son nuestros ojos (y también los instrumentos ópticos) los que realmente no pueden apreciar cuán diminutos son los puntos brillantes de una galaxia similares al sol, y cuán vasto es el espacio negro entre ellos. El hecho de que la Vía Láctea parezca tan tenue nos dice que la proporción de puntos brillantes (estrellas) y áreas oscuras (espacio vacío) debe ser muy, muy baja.

En comparación, cuando mira la pantalla de su computadora, tiene la impresión de una superficie blanca sólida, pero en realidad son muchos puntos pequeños rojos, verdes y azules, y solo nuestra vista limitada los integra en una superficie de apariencia sólida. .