Comment avons-nous des photos de galaxies si loin?

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Une réponse possible à cela est que la lumière émise par les galaxies a parcouru des milliards de kilomètres jusqu'à la Terre, où le télescope spatial à moyeux a capté cette lumière grâce à ses capteurs et a pu construire une image de la galaxie.

mais si cela est vrai et que les galaxies sont à des milliards de kilomètres, les particules de lumière émises par les galaxies ne devraient-elles pas être dispersées partout? après tout, ils voyagent depuis des millions d'années et sont probablement entrés en collision avec des astéroïdes et d'autres objets étrangers. Quelles étaient les chances qu'environ 95% des photons atteignent réellement la Terre, nous donnant une image très détaillée.

Considérez la galaxie andromède qui a une distance de 1,492 × 10 ^ 30 km de la Terre. Si la lumière émise par la galaxie voyage dans toutes les directions, comment se fait-il que nous puissions encore cartographier la galaxie entière, comme le montre la photo ci-dessous?

Ne devrait-il pas manquer la moitié de la galaxie, car les photons auraient pu toucher d'autres objets et "ne jamais avoir atteint la Terre"?

galaxy light photography

— K Split X
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Parce que l'espace est en grande partie juste cela. La prémisse de votre question - cette lumière est susceptible d'interagir avec quelque chose - est incorrecte.

— Rob Jeffries

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@KSplitX Vous vous y prenez mal. Nous pouvons voir la galaxie d'ici car il n'y a rien entre les deux. (C'est-à-dire que le fait que nous puissions le voir d'ici prouve que rien ne l'est.) S'il y a des galaxies obscurcies par quelque chose entre les deux, nous ne pourrions pas les voir, non.

— M. Lister

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La lumière des galaxies a parcouru un milliard de kilomètres? Désolé, mais un milliard de milles vous permettent à peine de dépasser l’orbite de Saturne :-) Pourquoi nous pouvons voir des galaxies à un milliard d’années-lumière ou plus: 1) Elles émettent beaucoup de photons; 2) Nous utilisons de grands miroirs pour attraper autant de photons que possible; et 3) Nous regardons la même partie du ciel pendant des centaines d’heures (pour les images de Hubble Deep fField) afin de collecter des photons. En effet, en temps réel, il n’ya pratiquement rien à voir dans les plaques de ciel qu’ils regardent - c’est une des raisons pour lesquelles ils ont été choisis.

— jamesqf

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La prémisse de cette question est un assez bon exemple d' argument d'incrédulité personnelle (je ne comprends pas comment X peut être vrai, donc je doute que X soit vrai).

— Oscar Bravo

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"L'espace est grand. Vraiment grand. Tu ne peux pas croire à quel point il est énorme, énorme, ahurissant."

— PlasmaHH

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Il y a deux raisons pour lesquelles, souvent - mais pas toujours - la lumière provenant de millions et même de milliards d'années-lumière de galaxies parvient à traverser l'Univers jusqu'à nous:

Nombre de particules et des particules de taille

Premièrement, le milieu intergalactique (IGM) est extrêmement dilué. La densité numérique des particules est de l'ordre , ou environ 26 ordres de grandeur plus bas que l’air au niveau de la mer! Cela signifie que si vous considérez un tube d’Andromède à la Voie Lactée avec une section de $n\sim10^{-7}\,\mathrm{cm}^{-3}$ , il contiendra environ un microgramme de matière (merci à Rob Jeffries d’avoir capturé un facteur $1\,\mathrm{cm}^{2}$ erreur de ). $10^6$
Deuxièmement, même si un photon s'approche d'un atome, il ne sera absorbé que si son énergie correspond étroitement à une transition dans l'atome. Comme la plupart des atomes sont ionisés (et devraient donc être appelés plasma, mais en astronomie, la distinction est souvent faite), il n'y a pas d'électrons pour absorber le photon. Les photons sont plus susceptibles d'interagir avec les électrons libres par diffusion Thomson, mais la section Thomson est extrêmement petit , alors même si vous considérez lesphotons CMB- qui ont traversé l’Univers presque depuis le Big Bang - seules environ 5% d’entre elles ont interagi avec des électrons sur leur chemin. $(\sim10^{-24}\,\mathrm{cm}^{2})$

En d'autres termes: la quantité de lumière transmise dépend de deux facteurs: 1) la quantité de matière le long de la ligne de mire, et 2) la capacité de cette matière à absorber la lumière. Dans l'IGM, les deux sont extrêmement petits. Lorsque la lumière pénètre dans le milieu inter- stellaire (ISM) de notre galaxie, elle peut rencontrer des nuages plus denses avec des atomes capables d'absorber la lumière. Mais généralement (bien que pas toujours), "dense" reste très dilué par rapport à l'atmosphère terrestre.

Expression mathématique

En général, si un faisceau de lumière traverse une région de particules, chacune avec une section transversale (mesurée par exemple en cm ), laissant passer particules par surface du faisceau (mesurée par exemple en cm ), l’opacité du le milieu est donné par la profondeur optique , définie par $\sigma$ $^2$ $N$ $^{-2}$ $\tau$ La fraction transmise de photons est alors En général

τ \equiv N σ .

$\tau \equiv N \, \sigma.$

f

$f$

f = e^{- τ} .

$f = e^{-\tau}.$

σ

$\sigma$ dépend de la longueur d'onde et une partie du spectre peut alors passer sans entrave, tandis qu'une autre partie peut être complètement absorbée.

La figure ci-dessous (à partir d’ ici ) montre le spectre d’un quasar situé à une distance de 22 milliards d’années lumière, soit fois plus loin qu'Andromède. Vous voyez qu'il y a plusieurs fines lignes d'absorption (causées par des nuages d'hydrogène entrants dont les densités sont 10 à 100 fois supérieures à celles de l'IGM), mais la majeure partie de la lumière nous parvient. $10\,000$

Parce que la lumière que nous voyons de ce quasar a été émise il y a si longtemps, l'Univers était considérablement plus petit à cette époque et la densité était donc plus grande. Néanmoins, seule une petite fraction est absorbée. Plus la lumière émise est éloignée, plus il y a longtemps, ce qui signifie un univers plus petit et une densité plus élevée, et donc plus la lumière est absorbée. Si vous considérez ce quasar (à partir d' ici ) situé à 27 milliards d'années-lumière, vous verrez que beaucoup plus de lumière est absorbée dans une partie du spectre. Cependant, beaucoup de lumière nous parvient.

La raison pour laquelle seules les courtes longueurs d'onde sont absorbées est assez intéressante - mais c'est une autre histoire.

— pela
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3

2 \times 10^{24}

$2\times 10^{24}$

^{2}

$^2$

2 \times 10^{18}

$2\times 10^{18}$

4 \times 10^{- 6}

$4\times 10^{-6}$

Oups, merci @RobJeffries. Je ne sais pas comment j'ai raté un facteur d'un million. Je suppose que je devrais arrêter de faire des calculs dans ma tête. Je vais éditer.

— dimanche

2

Est-il exact de dire que le quasar est à plus de 20 milliards de dollars lorsque l'univers a moins de 14 milliards d'années? C'est peut-être maintenant si loin, mais nous parlons de la lumière que nous mesurons à partir de celle-ci, qui n'a pas été émise de cette distance. Juste un peu trompeur je pense.

— Mao47

3

@ mao47: Il est tout à fait habituelle, quand on parle de distances à un objet donné cosmologique, de se référer à la distance à cet objet maintenant . La distance qu’elle avait quand elle a émis la lumière que nous voyons aujourd’hui a moins d’intérêt, mais elle est facile à trouver: par exemple, le dernier quasar que je mentionne se situe à redshift z = 5.82. À un redshift z donné, tout était un facteur (1 + z) plus rapproché qu’aujourd’hui, de sorte que la distance à ce quasar était de 27 Gly / (1 + 5.82) = 4 Gly (bien que l’Univers n’ait que 1 Gyr à le temps).

— pela

Avez-vous un lien avec l'explication de la raison pour laquelle seules les longueurs d'onde courtes sont absorbées?

— Beta Decay

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Comme le dit Rob Jeffries, l'univers est principalement constitué d'espace vide. Un photon peut facilement parcourir des milliers d'années-lumière sans interagir avec quoi que ce soit. La plupart des interactions se produiraient lorsque les photons entreraient dans l'atmosphère terrestre. Le Hubble évite cela. Ces photos étaient probablement dues à la combinaison de plusieurs séances de visionnage, ce qui donnait essentiellement une longue période pour observer la galaxie.

— jmh
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5

Des galaxies ont été observées plus de 200 ans avant Hubble, ce qui montre simplement que la lumière peut parcourir un long chemin même dans un milieu relativement dense (notre atmosphère) sans être absorbée dans une grande mesure.

— Dr Chuck

4

@DrChuck La galaxie d'Andromède est observée depuis beaucoup plus longtemps, car elle est très bien visible à l'œil nu. S'il y a une chose que je suis jaloux du bon vieux temps, c'est le manque de pollution lumineuse.

— Eric Duminil

1

Douglas Adams a déclaré: «L’espace est grand. Vraiment grand. Vous n’allez pas croire à quel point il est énorme, énorme, ahurissant. Je veux dire, vous pensez peut-être que le chemin qui mène au chimiste est loin, mais ce ne sont que des cacahuètes dans l'espace. "

— TED

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Votre question comporte une idée fausse, je ne pense pas que les autres réponses aient été abordées.

Si la lumière émise par la galaxie voyage dans toutes les directions, alors comment pouvons-nous encore cartographier la galaxie entière?

La lumière est émise par la galaxie dans toutes les directions. Seule une infime fraction de celle-ci est dirigée vers la Terre et une fraction encore plus petite est collectée par un télescope donné. Mais nous pouvons encore le voir, car les galaxies sont très, très brillantes. Andromeda contient environ un billion d'étoiles.

— Rupert Morrish
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10^{60} p h o t o n s / s

$10^{60}\:\mathrm{photons/s}$

\sim 10^{3} p h o t o n s / p i x e l

$\sim 10^3\:\mathrm{photons/pixel}$

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Désolé si cette logique semble un peu circulaire, mais nous pouvons obtenir des images de galaxies sans les masquer, car elles ne le sont pas.

Comme il a été mentionné, l’espace est vraiment très grand et vraiment très vide. C'est difficile pour nous de réfléchir, car il y a tellement de choses à côté de nous - mais c'est en fait une condition vraiment inhabituelle. La prochaine étoile du Soleil se trouve à plus de 4 années-lumière, mais nous recevons presque tous (99.9999999999 ...%) la lumière qui se dirige vers nous - la même chose, avec la lumière venue de plus loin - nous recevons un nombre énorme de des photons envoyés depuis des objets très lointains.

Hubble utilise également les techniques d'appareil photo simples consistant à utiliser un objectif et les longues expositions pour prendre des images d'objets distants. Ainsi, davantage de lumière est reçue pour construire l'image.

Mais, l’autre partie, il est presque impossible de prendre une photo d’une galaxie (ou d’une étoile) qui se trouve derrière une autre galaxie ou un nuage de poussière. Par exemple, nous ne pouvons pas facilement voir au-delà du centre de notre propre galaxie, car il y a beaucoup de poussière, de gaz et d'étoiles. L'image dans votre question, d'autre part, semble être Andromède, qui se trouve au-dessus du plan de la galaxie. Notre galaxie est assez mince comparée à son diamètre, et nous sommes un moyen décent de sortir du centre galactique, ce qui signifie qu'il y a beaucoup moins de choses dans le chemin.

Et il y a des galaxies dont nous avons pris des images et qui sont obscurcies par la poussière:

— HorusKol
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2

"beaucoup moins de merde sur le chemin" - pouvons-nous essayer de répondre sans autant de jargon technique?

— Barmar

1

Il y a déjà eu de bonnes réponses, mais j'aimerais ajouter mon deux-pennyworth:

Comment avons-nous des photos de galaxies si loin?

Parce qu'il n'y a rien entre eux et nous qui interfère avec la lumière qui atteint nos caméras.

Une réponse possible à cela est que la lumière émise par les galaxies a parcouru des milliards de kilomètres jusqu'à la Terre, où le télescope spatial Hubble a capté cette lumière grâce à ses capteurs et a pu construire une image de la galaxie.

C'est un milliard de milles à Saturne . En fait, la distance varie en fonction des orbites, mais consultez cet article de Space.com : "Lorsqu'ils se trouvent le plus éloignés l'un de l'autre, ils se trouvent à un peu plus de 1,7 milliard de km l'un de l'autre." . La galaxie d'Andromède est à environ 15 milliards de milliards de kilomètres. Ou environ quinze milliards de miles.

mais si cela est vrai et que les galaxies sont à des milliards de kilomètres, les particules de lumière émises par les galaxies ne devraient-elles pas être dispersées partout?

N'oubliez pas que les photons ont une nature d'onde E = hf. Et que même s’ils sont dispersés dans les airs, vous pouvez toujours voir la Lune. Oui, il y a un peu de lumière qui s'égare dans l'espace. Mais pas tant que le ciel nocturne est un fug blanc et brumeux. Vous pouvez voir Saturne aussi. Et les étoiles. Et les galaxies, mais elles sont plutôt faibles .

après tout, ils voyagent depuis des millions d'années et sont probablement entrés en collision avec des astéroïdes et d'autres objets étrangers. Quelles étaient les chances qu'environ 95% des photons atteignent réellement la Terre, nous donnant une image très détaillée.

Les chances sont élevées. Nous avons des images de planètes et de choses parce que les chances sont grandes.

Considérez la galaxie Andromède qui a une distance de 1,492 × 10 ^ 30 km de la Terre. Si la lumière émise par la galaxie voyage dans toutes les directions, comment se fait-il que nous puissions encore cartographier la galaxie entière, comme le montre la photo ci-dessous?

Si j'étais couvert de lumières, j'émettrais de la lumière dans toutes les directions et vous me verriez, car une partie de cette lumière pénètre dans vos yeux. La galaxie Andomeda est similaire.

Ne devrait-il pas manquer la moitié de la galaxie, car les photons auraient pu toucher d'autres objets et "ne jamais avoir atteint la Terre"?

Et si la moitié des photons n'atteignaient pas la Terre, vous ne verriez qu'une galaxie plus sombre, c'est tout.

— John Duffield
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Laissez-moi vous donner quelques explications simples.

Non non Non. 95% des photons n'atteignent pas la Terre. Même si 5% des photons émis (en quelques secondes) par une seule étoile, par exemple, par notre Soleil avaient atteint la Terre, notre planète aurait été complètement brûlée! Maintenant, Andromède a des centaines de milliards d'étoiles (ou soleils). Rien de cela ne nous parvient, excepté un nombre infiniment petit. Le pourcentage de photons qui nous parvient est ahurissant! Vous pouvez essayer de calculer cela très approximativement. Il est très facile de calculer quel pourcentage de photons émis par le Soleil atteint la Terre. Et le soleil n'est qu'à 8 minutes de la Terre, alors qu'Andromède est à plus de 2,5 millions d'années! Donc, en réalité, il n’est pas difficile d’imaginer combien de photons nous parviennent.

Maintenant, pourquoi les astéroïdes, les planètes ou les étoiles ne bloquent-ils pas tout? Andromeda est bien trop gros pour être bloqué comme ça! Il est plus facile de bloquer la vue de l'océan Pacifique depuis l'espace en plaçant quelques grains de poussière entre les deux! Le diamètre d'Andromède est supérieur à 200 millions d'années lumière. Peut-on bloquer la vue? En réalité, il peut être bloqué par quelque chose de la taille d'une nébuleuse proche de notre système solaire. Une telle nébuleuse doit avoir plusieurs années-lumière de diamètre; il doit être assez dense; et pas trop loin. Heureusement, rien de tel ne bloque cette belle galaxie de notre vue. Cependant, cela se produit avec d'autres galaxies et objets de l'espace lointain. Quant aux nébuleuses très éloignées, elles ne nous gêneront pas parce qu’elles auront l'air beaucoup trop petites par rapport à l'arrière-plan d'Andromède, qui est beaucoup plus éloigné.

Pourquoi la lumière n'est-elle pas dispersée? Pourquoi devrait-il être si dispersé pour rendre Andromeda flou? Lorsque la Lune est à l'horizon, sa lumière parcourt des centaines de kilomètres d'atmosphère dense presque parallèle à la surface de la Terre. Cependant, nous pouvons toujours entraîner nos télescopes et voir les différentes caractéristiques de la Lune. Ce ne serait pas une vue très propre mais on en verrait encore beaucoup. Maintenant, dans l'espace, la lumière traverse un vide presque complet, surtout le vide entre les galaxies. Il n'y a donc aucune raison pour que la lumière soit trop dispersée. Les photons et de nombreuses autres particules sont suffisamment stables et peuvent parcourir des distances beaucoup plus grandes: des milliards d'années-lumière. Une autre façon de voir les choses est de demander à combien de photons doivent s'écarter de leur trajectoire rectiligne pour qu'Andromède devienne floue. Eh bien, ils doivent aller beaucoup de côté, et le diamètre d'Andromède est trop énorme pour cela. Cela ne semble pas logique, car les photons se déplacent en lignes droites. Les gros objets, comme les étoiles et les trous noirs, affecteront leur trajectoire, mais le diamètre d’Andromède est tellement énorme que ce n’est pas une option, à moins de placer artificiellement des trillions de trous noirs le long de la ligne entre Andromède et notre système solaire afin de fausser le image d’Andromède ou pour que ces trous noirs engloutissent toute la lumière de la galaxie! Ainsi, quand les astronomes disent que la plus grande partie de la lumière nous parvient, cela signifie que l’espace intergalactique est un vide presque complet et que les photons qui vont exactement dans notre direction sont «libres» d’aller. Pourtant, seul un nombre infime d’entre eux va exactement dans notre direction et cela reste suffisant pour de belles photos. Pourquoi? Voilà pourquoi: Cela ne semble pas logique, car les photons se déplacent en lignes droites. Les gros objets, comme les étoiles et les trous noirs, affecteront leur trajectoire, mais le diamètre d’Andromède est tellement énorme que ce n’est pas une option, à moins de placer artificiellement des trillions de trous noirs le long de la ligne entre Andromède et notre système solaire afin de fausser le image d’Andromède ou pour que ces trous noirs engloutissent toute la lumière de la galaxie! Ainsi, quand les astronomes disent que la plus grande partie de la lumière nous parvient, cela signifie que l’espace intergalactique est un vide presque complet et que les photons qui vont exactement dans notre direction sont «libres» d’aller. Pourtant, seul un nombre infime d’entre eux va exactement dans notre direction et cela reste suffisant pour de belles photos. Pourquoi? Voilà pourquoi: Cela ne semble pas logique, car les photons se déplacent en lignes droites. Les gros objets, comme les étoiles et les trous noirs, affecteront leur trajectoire, mais le diamètre d’Andromède est tellement énorme que ce n’est pas une option, à moins de placer artificiellement des trillions de trous noirs le long de la ligne entre Andromède et notre système solaire afin de fausser le image d’Andromède ou pour que ces trous noirs engloutissent toute la lumière de la galaxie! Ainsi, quand les astronomes disent que la plus grande partie de la lumière nous parvient, cela signifie que l’espace intergalactique est un vide presque complet et que les photons qui vont exactement dans notre direction sont «libres» d’aller. Pourtant, seul un nombre infime d’entre eux va exactement dans notre direction et cela reste suffisant pour de belles photos. Pourquoi? Voilà pourquoi: comme les étoiles et les trous noirs affecteront leur trajectoire, mais le diamètre d’Andromède est tellement énorme que ce n’est pas une option, à moins de placer artificiellement des milliards de trous noirs le long de la ligne séparant Andromède de notre système solaire afin de fausser l’image d’Andromède. ou pour que ces trous noirs engloutissent toute la lumière de la galaxie! Ainsi, quand les astronomes disent que la plus grande partie de la lumière nous parvient, cela signifie que l’espace intergalactique est un vide presque complet et que les photons qui vont exactement dans notre direction sont «libres» d’aller. Pourtant, seul un nombre infime d’entre eux va exactement dans notre direction et cela reste suffisant pour de belles photos. Pourquoi? Voilà pourquoi: comme les étoiles et les trous noirs affecteront leur trajectoire, mais le diamètre d’Andromède est tellement énorme que ce n’est pas une option, à moins de placer artificiellement des milliards de trous noirs le long de la ligne séparant Andromède de notre système solaire afin de fausser l’image d’Andromède. ou pour que ces trous noirs engloutissent toute la lumière de la galaxie! Ainsi, quand les astronomes disent que la plus grande partie de la lumière nous parvient, cela signifie que l’espace intergalactique est un vide presque complet et que les photons qui vont exactement dans notre direction sont «libres» d’aller. Pourtant, seul un nombre infime d’entre eux va exactement dans notre direction et cela reste suffisant pour de belles photos. Pourquoi? Voilà pourquoi: Sauf si nous installons artificiellement des milliards de trous noirs le long de la ligne entre Andromède et notre système solaire, nous essayons de déformer l'image d'Andromède ou de faire en sorte que ces trous noirs engloutissent toute la lumière de la galaxie! Ainsi, quand les astronomes disent que la plus grande partie de la lumière nous parvient, cela signifie que l’espace intergalactique est un vide presque complet et que les photons qui vont exactement dans notre direction sont «libres» d’aller. Pourtant, seul un nombre infime d’entre eux va exactement dans notre direction et cela reste suffisant pour de belles photos. Pourquoi? Voilà pourquoi: Sauf si nous installons artificiellement des milliards de trous noirs le long de la ligne entre Andromède et notre système solaire, nous essayons de déformer l'image d'Andromède ou de faire en sorte que ces trous noirs engloutissent toute la lumière de la galaxie! Ainsi, quand les astronomes disent que la plus grande partie de la lumière nous parvient, cela signifie que l’espace intergalactique est un vide presque complet et que les photons qui vont exactement dans notre direction sont «libres» d’aller. Pourtant, seul un nombre infime d’entre eux va exactement dans notre direction et cela reste suffisant pour de belles photos. Pourquoi? Voilà pourquoi: seul un nombre infime d’entre eux va exactement dans notre direction et c’est encore suffisant pour de belles photos. Pourquoi? Voilà pourquoi: seul un nombre infime d’entre eux va exactement dans notre direction et c’est encore suffisant pour de belles photos. Pourquoi? Voilà pourquoi:

$40$ $33$ $-21.5$ $5$ $1$ $2.5^{5-1}=40$ $-21.5-5=-26.5$ $2.5^{26.5}\approx 40,000,000,000$ fois plus lumineux que le soleil.

Quant à sa taille dans le ciel nocturne, sa longueur est approximativement six fois supérieure à celle de la lune, mais vous ne pouvez voir que la partie centrale lumineuse. Vous avez besoin d’un télescope à grande ouverture et de photographies à longue exposition pour capter plus de lumière et produire une image plus nette et plus détaillée.

Espérons que cette explication primitive vous sera utile. Andromeda est visible aujourd'hui si le temps le permet :)

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R_{\oplus}^{2} / d_{A n d}^{2} \sim 10^{- 31}

$R_\oplus^2/d_\mathrm{And}^2 \sim 10^{-31}$

10^{- 31}

$10^{-31}$

A_{V} = 0.2 - 0.25

$A_V=0.2\!-\!0.25$

Les commentaires ne sont pas pour une discussion prolongée; cette conversation a été déplacée pour discuter .

— appelé2voyage