ทำไมเราไม่เห็นกาแลคซีที่อยู่ห่างไกลด้วยตาเปล่า?

หากแสงยังคงเดินทางเป็นเส้นตรงทำไมเราถึงมองไม่เห็นกาแลคซีด้วยตาเปล่า? แน่นอนถ้าคุณจ้องมองมานานพอแสงจากพวกเขาจะกระทบตาคุณในที่สุด? ฉันขอโทษถ้านี่เป็นคำถามโง่ ๆ :)

แน่นอนถ้าคุณจ้องมองมานานพอแสงจากพวกเขาจะกระทบตาคุณในที่สุด?

การรวบรวมแสงในช่วงเวลาที่ยาวนานเป็นวิธีที่กล้องโทรทรรศน์สามารถมองเห็นวัตถุที่สลัวมาก ระบบภาพของมนุษย์ไม่ทำงานอย่างนั้น

สำหรับสิ่งหนึ่งแม้ว่าคุณคิดว่าคุณกำลังจ้องมองบางสิ่งดวงตาของคุณก็ยังคงเต้นไปรอบ ๆ มันเป็นคำตอบในตัวที่เรียกว่า ocular microtremors microtremors เหล่านี้ดูเหมือนจะเป็นส่วนสำคัญในการทำให้ระบบการมองเห็นทำงานได้

อีกประการหนึ่งดวงตาของคุณไม่ได้และไม่สามารถรวบรวมแสงเป็นเวลานานโดยพลการ (วิธีที่กล้องถ่ายภาพสามารถทำได้) มีการประมวลสัญญาณจำนวนมหาศาลที่เกิดขึ้นในดวงตาและไปจนถึงสมอง การประมวลผลสัญญาณนี้ขึ้นอยู่กับแสงที่ถูกรวบรวมในช่วงเวลาสั้น ๆ

ระบบการมองเห็นของเราพัฒนาขึ้นเพื่อมองเห็นอาหารเพื่อนและอันตรายภายใต้สภาพแวดล้อมที่มีแสงสว่างเพียงพอ เราเก่งมากที่เห็นการเคลื่อนไหวในเวลากลางวัน เราไม่ค่อยเห็นวัตถุที่อยู่กับที่และเราก็ไม่เก่งเลยที่จะเห็นแหล่งที่มองเห็นได้แทบจะไม่อยู่ภายใต้ท้องฟ้าที่มืดมิด

การมองด้วยตาเปล่านั้นถูก จำกัด ด้วยธรรมชาติของระบบการมองเห็นของมนุษย์ วัตถุที่อยู่ห่างไกลที่สุดที่เราเห็นได้คือกาแล็กซี่รูปสามเหลี่ยมและภายใต้เงื่อนไขของท้องฟ้าที่มืดมนมากและชัดเจนมาก

ไม่ใช่คำถามที่โง่ แต่จริงๆแล้วคุณสามารถเห็นกาแลคซีที่อยู่ห่างไกลด้วยตาเปล่า จากซีกโลกเหนือกาแลคซีแอนโดรเมด้าซึ่งเป็นกาแลคซีใกล้เคียงที่ใหญ่ที่สุดของเราจะมองเห็นได้ถ้าคุณรู้ว่าจะมองที่ไหนและอยู่ในที่มืดพอสมควร จากกาแลกซีทางใต้จะมองเห็นกาแลคซีขนาดเล็กทั้งสอง แต่ใกล้กว่าและเรียกว่าเมฆแมกเจลแลนขนาดเล็กและใหญ่

เหตุผลที่กาแลคซีไกลโพ้นมากขึ้นไม่สามารถมองเห็นได้เนื่องจากกฎผกผัน - สแควร์ : เมื่ออนุภาคแสง (โฟตอน) ถอยห่างจากกาแลคซี (หรือแหล่งกำเนิดแสงอื่น ๆ ) พวกมันถูกกระจายไปทั่วพื้นผิวที่เพิ่มมากขึ้น นั่นหมายความว่าเครื่องตรวจจับ (เช่นดวงตาของคุณ) ของพื้นที่ที่กำหนดจะจับโฟตอนน้อยลงและไกลออกไปจากกาแลคซี กฎหมายบอกว่าถ้าในช่วงเวลาหนึ่งโดยเฉลี่ยจะตรวจจับพูดว่า 8 โฟตอนที่ระยะ D จากนั้นในช่วงเวลาเดียวกันที่ระยะ 2D จะตรวจจับ 8/2 ² = 2 โฟตอน ที่ระยะ 4D จะตรวจจับ 8/4 ² = 0.5 โฟตอน หรือต้องใช้เวลาสองเท่าในการตรวจจับโฟตอนเดียว

บรรทัดล่างคือโดยหลักการแล้วคุณสามารถเห็นกาแลคซีไกลโพ้นมาก แต่โฟตอนนั้นมีน้อยและมาถึงน้อยมากจนดวงตาของคุณไม่ได้เป็นเครื่องตรวจจับที่ดีพอ ประโยชน์ของกล้องโทรทรรศน์คือ 1) มันมีพื้นที่กว้างกว่าตาของคุณและ 2) คุณสามารถวางกล้องไว้ที่จุดโฟกัสแทนที่จะเป็นตาของคุณและถ่ายภาพด้วยเวลาที่มีการเปิดรับแสงมากเช่นการเพิ่มΔt

การให้เหตุผลของคุณจะใช้ได้ไม่เพียง แต่สำหรับกาแลคซีเท่านั้น แต่ยังรวมถึงดวงดาวและทุกสิ่งที่มันเปล่งประกายในจักรวาล

สื่ออวกาศและอวกาศระหว่างดาวเต็มไปด้วยฝุ่นและก๊าซซึ่งมีส่วนช่วยในการดูดซับและกระจายแสงจากวัตถุที่อยู่ห่างไกล โดยเฉพาะอย่างยิ่งในระนาบของกาแล็กซี่ของเราเรายังคงมีความอุดมสมบูรณ์ของก๊าซและฝุ่น (ทางช้างเผือกเป็นกาแล็คซี่หนุ่มสาวที่ค่อนข้าง): แท้จริงจะมองไปที่วัตถุที่อยู่ไกลเราพยายามที่จะปรับทิศทางกล้องโทรทรรศน์ของเราที่มีต่อLockman หลุมเมื่อใดก็ตามที่มันเป็นไปได้

โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับแสงความถี่ต่ำ: ที่พลังงานที่สูงกว่าการกระเจิงและการดูดซับของรังสีเอกซ์และรังสีแกมม่าจากวัสดุดูดซับมาตรฐานจำนวนเล็กน้อยจะน้อยมาก (แม้ว่ายิ่งคุณมองวัตถุระยะไกลมากเท่าใด คือฝุ่นและก๊าซที่มีอยู่ซึ่งยังไม่ถูกล็อคในดาว)

นอกจากนี้ให้พิจารณาความขัดแย้งของ Olbersซึ่งบ่งชี้ว่าจักรวาลกำลังขยายตัวเพื่ออธิบายถึง "ท้องฟ้ามืด"

1. โฟตอนน้อย - คุณมีรูม่านตาเล็ก ๆ เฉพาะโฟตอนที่สามารถเดินทางไปได้ไกลกว่านั้นมากตามเส้นทางที่สามารถตัดกับรูม่านตาเล็ก ๆ ของคุณเท่านั้นที่จะมีโอกาสได้เห็น และมีเพียงโฟตอนบางตัวที่ไปถึงเรตินาของคุณโต้ตอบกับโมเลกุลที่ลงทะเบียนการมาถึงของพวกเขา

2. การรบกวน - โมเลกุลของบรรยากาศ, ฝุ่นในชั้นบรรยากาศ, การสะท้อน / การหักเหของแสงและในตาของคุณ, ฝุ่นในระบบสุริยะ, เมฆออร์ต, ฝุ่นระหว่างดวงดาวในกาแลคซีของเรา, ฝุ่นในอวกาศอวกาศ, โมเลกุลใด ๆ เส้นทางทั้งหมดอาจดูดซับโฟตอนไม่กี่ตัวและปล่อยใหม่ในทิศทางที่แตกต่างกัน

3. ความเสถียร - กล้องโทรทรรศน์โดยเฉพาะอย่างยิ่งเช่นฮับเบิลสามารถเทียบได้กับดวงตาของคุณจริงๆ ไม่เพียง แต่ดวงตาของคุณจะมีการเปลี่ยนแปลงเล็ก ๆ น้อย ๆ อย่างต่อเนื่องเท่านั้น แต่คุณยังหายใจได้และหัวใจของคุณจะเต้นและสิ่งอื่น ๆ

4. การเปิดรับ - ภาพแรกของเขตข้อมูลลึกฮับเบิลถูกเก็บรวบรวมมานานกว่า100 ชั่วโมงของการเปิดรับแสงชั่วโมงจากการสัมผัส คุณอาจพบว่ายากกับดวงตาของคุณ

5. การเก็บรักษา - เวลาที่ได้รับผลกระทบจะมีผลต่อปริมาณข้อมูลที่เก็บไว้ในที่ซึ่งโฟตอนกระทบกับพื้นผิวการบันทึก ดวงตาของคุณจะจำไม่ได้ว่าโฟตอนที่ลงทะเบียนไว้ที่ตัวรับแม้หนึ่งนาทีก่อนหน้านี้ ดวงตาของคุณไม่ดีเลยสำหรับ 'ภาพนิ่ง'

6. มลภาวะทางแสง / การขยายตัวสากล - จักรวาลกำลังขยายตัวเป็นเวลาหลายพันล้านปี เมื่อขยายออกแสงจะส่องผ่านพื้นที่ 'ขยายไปถึงจุดสีแดงของสเปกตรัมที่มองเห็นได้ สำหรับกาแลคซีที่ห่างไกลสิ่งนี้ได้อย่างมีประสิทธิภาพหมายความว่าแสงที่มองเห็นได้จากพวกมันเปลี่ยนไปมากพอที่จะเป็นอินฟราเรดและมองไม่เห็นเมื่อถึงที่นี่ ตอนนี้แสงอัลตราไวโอเลตก็จะเปลี่ยนไปบางส่วนของมันกลายเป็น 'มองเห็นได้' แต่จากนั้นก็เริ่มผสมกับเอฟเฟกต์ 'มลพิษทางแสง' ที่กระจายอยู่ในชั้นบรรยากาศของเรา ดวงตาของคุณไม่เก่งเลยในการติดตามว่าโฟตอนมาจากแหล่งใด

อาจมีปัจจัยอื่น ๆ แต่สิ่งเหล่านั้นอาจมากเกินพอที่จะระบุว่าปัญหาใหญ่แค่ไหน โปรดทราบว่าภาพฮับเบิลใน 100 ชั่วโมงแรกนั้นเป็นเรื่องน่าประหลาดใจอย่างยิ่งสำหรับนักดาราศาสตร์ แม้ว่าจะมีกล้องโทรทรรศน์ขนาดใหญ่ที่รวบรวมแสงมาก่อน แต่ก็ไม่สามารถรับแสงที่เพียงพอสำหรับข้อมูลที่เป็นประโยชน์ อุปกรณ์ก่อนหน้านี้มีรูม่านตากว้างกว่าของคุณมากขึ้นพื้นผิวการถ่ายภาพที่ละเอียดอ่อนกว่าและสามารถ 'นั่งนิ่ง' ได้นานกว่าคุณมาก และมันก็ยังมีปัญหากับกาแลคซีไกลโพ้น

เพียงเพราะคุณสามารถเปิดเปลือกตาไว้ $x$ วินาทีไม่ได้หมายความว่าคุณกำลังรวบรวมแสงไว้ $x$วินาทีและใช้มันเพื่อสร้างภาพเดียวในสมองของคุณ คุณจะ "บันทึก" รูปภาพอย่างไร คุณจะตัดสินใจอย่างไรเมื่อต้องยุติการรวบรวมแสง คุณก็รู้เหมือนกันว่าฉันไม่สามารถยกนิ้วชัตเตอร์ออกจากสมองของคุณได้!

และนั่นคือปัจจัยอื่น ๆ ทั้งหมดตามที่อธิบายไว้ในคำตอบอื่น ๆ (แต่ฉันต้องการที่จะเชื่อในประเด็นนี้ต่อไปอีกเล็กน้อยกว่าคำตอบอื่น ๆ )

ฉันคิดว่าคำถามของคุณเป็นการดัดแปลงสิ่งที่เรียกว่า "เส้นขนานของ Obler" - กล่าวคือถ้าจักรวาลไม่มีที่สิ้นสุดทำไมท้องฟ้ายามค่ำคืนจึงไม่เป็นสีขาวไม่ช้าก็เร็วไม่ว่าเราจะเห็นดวงดาวหรือไม่ก็ตาม จะเป็นดาวที่ไม่มีที่สิ้นสุดที่นั่น

คำตอบสำหรับเรื่องนี้คือ (a) จักรวาลนั้นไม่สิ้นสุดหรือ (b) จักรวาลไม่ได้อยู่ที่นี่ตลอดกาลดังนั้นแม้ว่ามันจะไม่มีที่สิ้นสุดแสงจากที่ไกลแสนไกลก็ยังมาถึงเรา

กรณี (b) เป็นที่ยอมรับกันโดยทั่วไป - คือจักรวาลเริ่มมีเวลา จำกัด ใน "บิ๊กแบง" - แม้ว่า (a) เป็นที่ถกเถียงกัน - นั่นคืออาจเป็นได้ว่าจักรวาลนั้นไม่มีที่สิ้นสุดในทุกกรณี

มนุษย์สามารถเห็นโฟตอนเดี่ยวได้หรือไม่?

ตามนุษย์ไวมาก แต่เราเห็นโฟตอนเดียวได้ไหม คำตอบคือเซ็นเซอร์ใน retinacan ที่สอดคล้องกับโฟตอนเดียว อย่างไรก็ตามฟิลเตอร์ประสาทเทียมอนุญาตให้สัญญาณส่งผ่านไปยังสมองเพื่อกระตุ้นการตอบสนองอย่างมีสติเมื่ออย่างน้อยประมาณห้าถึงเก้ามาถึงภายในน้อยกว่า 100 มิลลิวินาที หากเราสามารถเห็นโฟตอนเดียวอย่างมีสติเราจะได้สัมผัสกับ "เสียงรบกวน" ที่มองเห็นได้ในที่แสงน้อยมากดังนั้นฟิลเตอร์นี้จึงเป็นการปรับตัวที่จำเป็นไม่ใช่จุดอ่อน

อ้างอิงจากบทความนี้http://math.ucr.edu/home/baez/physics/Quantum/see_a_photon.html

เนื่องจากนี่เป็นไปไม่ได้เสมอสำหรับกาแลคซีไกลโพ้น

แก่นแท้ของคำถามได้รับการตอบแล้ว แต่ก็ยังน่าสนใจที่จะแสดงให้เห็นว่ามันยากแค่ไหนที่จะทำการสังเกตด้วยตาเปล่าของกาแลคซี M81 ที่สว่างมาก ๆ นักดาราศาสตร์ไบรอัน Skiffให้บัญชีของการสังเกตด้วยตาเปล่าของเขาประสบความสำเร็จของกาแล็คซี่นี้ที่นี่

ตอนนี้กาแลคซีของความสว่างที่กำหนดนั้นยากต่อการมองเห็นมากกว่าดาวฤกษ์ที่มีความสว่างเท่ากันเนื่องจากธรรมชาติที่ขยายออกไป หากท้องฟ้ามืดพอคุณสามารถมองเห็นดวงดาวที่มีขนาดเท่ากับ 8 แต่คุณยังคงพยายามมองเห็น M81 ที่มีความสว่าง 7 ขนาด 7 เป็นรูปประดิษฐ์ที่ได้จากการเพิ่มแสงที่เข้ามา จากทิศทางที่แตกต่างกันเล็กน้อย

นอกจากนี้คุณต้องการเพียงแค่ปริมาณแสงที่เบาบางเพื่อให้ท้องฟ้ากลับมาเป็นสีเทาเล็กน้อยเพื่อให้กาแลคซีหายไปจากการมองเห็นในขณะที่การมองเห็นของดวงดาวที่จางหายไป นี่เป็นเพราะความสูงเป็นหน้าที่ของตำแหน่งบนท้องฟ้าในกรณีของดาวฤกษ์มียอดเขาที่แข็งแกร่งและแคบมากในขณะที่ในกรณีของกาแลคซีเนื่องจากธรรมชาติที่ขยายออกไปจะไม่แสดงจุดสูงสุดขนาดใหญ่ ความสว่างในตัวอาจเหมือนกันสำหรับทั้งสองกรณี แต่ปริมาณแสงพื้นหลังที่คุณต้องทำให้กาแลคซีล่องหนนั้นเห็นได้ชัดน้อยกว่าสิ่งที่คุณต้องการสำหรับดาวฤกษ์