Mengapa kita tidak bisa melihat galaksi jauh dengan mata telanjang?

Jika cahaya terus bergerak dalam garis lurus, mengapa kita tidak bisa melihat galaksi jauh dengan mata telanjang? Tentunya jika Anda menatap cukup lama, cahaya dari mereka akhirnya akan mengenai mata Anda? Saya minta maaf jika ini pertanyaan bodoh :)

Tentunya jika Anda menatap cukup lama, cahaya dari mereka akhirnya akan mengenai mata Anda?

Mengumpulkan cahaya dalam rentang waktu yang lama adalah bagaimana teleskop dapat melihat objek yang sangat redup. Sistem visual manusia tidak bekerja seperti itu.

Untuk satu hal, bahkan ketika Anda berpikir Anda sedang menatap sesuatu, mata Anda masih menari-nari sedikit. Ini adalah respons bawaan yang disebut mikrotremor okular. Mikrotremor ini tampaknya menjadi bagian penting untuk membuat sistem visi berfungsi.

Untuk yang lain, mata Anda tidak dan tidak bisa mengumpulkan cahaya untuk jangka waktu yang lama secara sewenang-wenang (seperti teleskop fotografi). Ada sejumlah besar pemrosesan sinyal yang terjadi di mata dan di sepanjang jalan ke otak. Pemrosesan sinyal ini tergantung pada cahaya yang dikumpulkan untuk rentang waktu yang singkat.

Sistem visi kami berkembang untuk melihat makanan, teman, dan bahaya dalam kondisi yang cukup terang. Kami sangat pandai melihat gerakan di siang hari bolong. Kami tidak begitu pandai melihat objek diam, dan kami sama sekali tidak pandai melihat sumber yang nyaris tak terlihat di bawah langit yang sangat gelap.

Astronomi mata telanjang dibatasi oleh sifat sistem penglihatan manusia. Objek paling jauh yang bisa kita lihat adalah Galaxy Triangulum, dan itu hanya di bawah kondisi langit yang sangat gelap dan sangat jernih.

Sama sekali bukan pertanyaan bodoh, tetapi sebenarnya Anda bisa melihat galaksi jauh dengan mata telanjang. Dari belahan bumi utara, Galaksi Andromeda, galaksi tetangga terbesar kita, terlihat jika Anda tahu ke mana harus mencari, dan berada di tempat yang cukup gelap. Dari belahan bumi selatan, dua galaksi tidak beraturan yang lebih kecil, tetapi lebih dekat, disebut Awan Magellan Kecil dan Besar terlihat.

Alasan galaksi yang lebih jauh tidak terlihat, adalah karena hukum kuadrat terbalik : Ketika partikel cahaya (foton) surut dari galaksi (atau sumber cahaya lainnya), mereka terdistribusi pada permukaan yang semakin meningkat. Itu berarti bahwa pendeteksi (misalnya mata Anda) pada area tertentu akan menangkap lebih sedikit foton, semakin jauh ia ditempatkan dari galaksi. Hukum mengatakan bahwa jika dalam interval waktu Δt rata-rata mendeteksi, katakanlah, 8 foton pada jarak D, maka dalam interval waktu yang sama, pada jarak 2D akan mendeteksi 8/2 ² = 2 foton. Pada jarak 4D, ia akan mendeteksi 8/4 ² = 0,5 foton. Atau, secara setara, perlu dua kali waktu untuk mendeteksi satu foton.

Intinya adalah bahwa pada prinsipnya Anda dapat melihat galaksi yang sangat jauh, tetapi fotonnya sangat sedikit dan jarang datang, sehingga mata Anda bukan detektor yang cukup baik. Manfaat teleskop adalah 1) memiliki area yang lebih besar daripada mata Anda, dan 2) Anda dapat menempatkan kamera pada titik fokusnya alih-alih mata Anda dan mengambil gambar dengan waktu bukaan yang besar, yaitu meningkatkan Δt.

Alasan Anda akan berlaku tidak hanya untuk galaksi, tetapi juga untuk bintang dan apa pun yang bersinar di Semesta, tetapi ada efek penting yang membatalkannya: penyerapan cahaya.

Media intergalaksi dan antarbintang diisi dengan debu dan gas, yang berkontribusi untuk menyerap dan menyebarkan cahaya dari objek yang jauh. Khususnya di pesawat Galaksi kita, kita masih memiliki banyak gas dan debu (Bima Sakti adalah galaksi yang relatif muda): memang, untuk melihat objek yang jauh kita mencoba mengarahkan teleskop kita ke arah Lubang Lockman , kapan pun memungkinkan.

Hal ini terutama berlaku untuk cahaya frekuensi rendah: pada energi yang lebih tinggi, hamburan dan penyerapan sinar-X dan sinar gamma dari jumlah standar bahan menyerap dapat diabaikan (bahkan jika, semakin jauh Anda melihat, semakin muda objek, semakin banyak adalah debu dan gas yang tersedia yang masih belum terkunci di bintang).

Juga, pertimbangkan paradoks Olbers , yang mengindikasikan untuk Semesta yang mengembang untuk menjelaskan "langit gelap".

1. Beberapa foton - Anda memiliki murid kecil. Hanya foton yang dapat melakukan perjalanan sejauh itu dalam jarak sejauh itu di sepanjang jalur yang berhasil bersinggungan dengan murid mungil Anda yang memiliki peluang untuk dilihat. Dan hanya beberapa foton yang mencapai retina Anda yang benar-benar berinteraksi dengan molekul yang mendaftarkan kedatangan mereka.

2. Gangguan - Molekul atmosfer, debu di atmosfer, pantulan / pembiasan dan di mata Anda, debu di tata surya, awan Oort, debu antarbintang di galaksi kita, debu di ruang intergalaksi, molekul apa pun di sepanjang jalan, semua dapat menyerap salah satu dari beberapa foton dan memancarkannya kembali ke arah yang berbeda.

3. Stabilitas - Teleskop, terutama seperti Hubble, dapat benar-benar masih sangat dibandingkan dengan mata Anda. Mata Anda tidak hanya terus-menerus bergeser, tetapi Anda bernapas dan jantung Anda berdetak dan hal-hal lain membuat gambar yang sangat redup tidak dapat terbentuk.

4. Eksposur - Gambar Hubble Deep Field pertama dikumpulkan selama sekitar 100 jam eksposur . Anda mungkin menemukan itu sulit dengan mata Anda.

5. Retensi - Waktu pemaparan mempengaruhi seberapa banyak 'data' dipertahankan tentang di mana foton mengenai permukaan perekaman. Mata Anda tidak akan ingat bahwa foton terdaftar di reseptor bahkan semenit sebelumnya. Mata Anda tidak bagus sama sekali untuk 'fotografi masih'.

6. Polusi cahaya / ekspansi universal - Alam semesta telah mengembang selama miliaran tahun. Saat mengembang, cahaya yang merambat melalui ruang 'membentang' lebih ke ujung merah dari spektrum yang terlihat. Untuk galaksi yang jauh ini secara efektif berarti bahwa cahaya yang terlihat dari mereka telah bergeser cukup jauh menjadi inframerah dan tidak terlihat pada saat tiba di sini. Sekarang, sinar ultraviolet juga akan bergeser, beberapa di antaranya menjadi 'terlihat'. Tapi kemudian mulai bercampur dengan efek 'polusi cahaya' yang tersebar begitu sampai ke atmosfer kita. Mata Anda tidak bagus sama sekali dalam melacak foton mana yang berasal dari sumber apa.

Mungkin ada faktor-faktor lain, tetapi mungkin itu lebih dari cukup untuk menunjukkan seberapa besar masalahnya. Perhatikan bahwa gambar Hubble awal 100 jam adalah kejutan besar bagi para astronom. Bahkan dengan teleskop pengumpul cahaya besar yang tersedia sebelumnya, mereka tidak dapat memperoleh cukup cahaya untuk data yang berguna. Peralatan sebelumnya memiliki murid yang jauh lebih besar daripada milik Anda, permukaan pencitraan yang lebih sensitif dan bisa 'duduk diam' lebih lama dari Anda; dan itu masih mengalami kesulitan dengan galaksi yang jauh.

$x$$x$ detik dan menggunakannya untuk membentuk satu gambar di otak Anda. Bagaimana Anda "menyimpan" foto itu? Bagaimana Anda memutuskan kapan harus mengakhiri pengumpulan cahaya? Anda tahu juga seperti saya bahwa Anda tidak bisa begitu saja mengangkat jari dari pelepasan rana otak Anda!

Dan itu di atas semua faktor lain seperti yang dijelaskan dalam jawaban lain (tapi saya ingin mempercayai poin khusus ini sedikit lebih jauh daripada melakukan jawaban lain.).

Saya pikir pertanyaan Anda adalah membingkai ulang apa yang dikenal sebagai "paradoks Obler's" - yaitu jika alam semesta tidak terbatas mengapa langit malam tidak putih, cepat atau lambat garis pandang kita mengenai bintang, dan bahkan jika sangat jauh di sana akan menjadi bintang yang tak terbatas di sana.

Jawabannya adalah (a) Semesta ini tidak terbatas atau (b) Semesta belum ada di sini selama-lamanya, jadi bahkan jika itu tidak terbatas, cahaya dari sangat jauh belum mencapai kita.

Kasus (b) diterima secara umum - yaitu Semesta mulai waktu yang lalu dalam "big bang" - meskipun (a) masih diperdebatkan - artinya mungkin bahwa alam semesta tidak terbatas dalam hal apa pun.

Bisakah Manusia Melihat Satu Foton?

Mata manusia sangat sensitif tetapi dapatkah kita melihat satu foton? Jawabannya adalah bahwa sensor di retas sesuai dengan satu foton. Namun, filter saraf hanya memungkinkan sinyal untuk masuk ke otak untuk memicu respons sadar ketika setidaknya sekitar lima hingga sembilan tiba dalam waktu kurang dari 100 ms. Jika kita secara sadar dapat melihat satu foton, kita akan mengalami terlalu banyak "noise" visual dalam cahaya yang sangat rendah, jadi filter ini adalah adaptasi yang diperlukan, bukan kelemahan.

Menurut tulisan ini http://math.ucr.edu/home/baez/physics/Quantum/see_a_photon.html

Karena ini tidak selalu mungkin untuk galaksi jauh kita tidak dapat melihat galaksi jauh.

Inti dari pertanyaan telah dijawab, tetapi masih menarik untuk menggambarkan betapa sulitnya melakukan pengamatan mata telanjang terhadap galaksi M81 terdekat yang sangat terang. Astronom Brian Skiff memberikan laporan tentang pengamatan mata telanjangnya yang sukses atas galaksi ini di sini .

Sekarang, galaksi-galaksi dengan kecerahan tertentu lebih sulit dikenali daripada bintang-bintang dengan kecerahan yang sama, karena sifatnya yang luas. Jika langit cukup gelap, maka Anda dapat melihat bintang-bintang pingsan dengan magnitudo 8, tetapi Anda masih akan kesulitan untuk menemukan M81 yang memiliki brighness of magnitude 7. Magnitudo 7 adalah figur buatan yang diperoleh dengan menjumlahkan cahaya yang datang dari arah yang sedikit berbeda.

Selain itu, Anda hanya perlu sedikit polusi cahaya untuk membuat langit hanya sedikit abu-abu untuk membuat galaksi menghilang dari pandangan, sementara visibilitas bintang-bintang redup pada dasarnya tetap tidak terpengaruh. Ini karena kecerahan sebagai fungsi dari posisi di langit dalam kasus bintang memiliki puncak yang sangat kuat dan sempit sementara dalam kasus galaksi, karena sifatnya yang memanjang, tidak menunjukkan puncak yang besar. Kecerahan terintegrasi mungkin sama untuk kedua kasus, tetapi jumlah cahaya latar yang Anda butuhkan untuk membuat galaksi tidak terlihat jelas jauh lebih sedikit daripada yang Anda butuhkan untuk bintang.