Pourquoi ne pouvons-nous pas voir des galaxies lointaines à l'œil nu?

Si la lumière continue de voyager en ligne droite, pourquoi ne pouvons-nous pas voir des galaxies lointaines à l'œil nu? Sûrement, si vous regardiez assez longtemps, la lumière d'eux finirait par vous toucher? Je m'excuse si c'est une question stupide :)

Sûrement, si vous regardiez assez longtemps, la lumière d'eux finirait par vous toucher?

La collecte de lumière sur une longue période de temps permet aux télescopes de voir des objets très faibles. Le système visuel humain ne fonctionne pas de cette façon.

D'une part, même lorsque vous pensez que vous regardez quelque chose, vos yeux dansent encore un peu. C'est une réponse intégrée appelée microtrémors oculaires. Ces micro-tremblements semblent être un élément essentiel pour rendre le système de vision fonctionnel.

D'autre part, votre œil ne capte pas et ne peut pas collecter de lumière pendant des périodes arbitrairement longues (comme le peut un télescope photographique). Il y a une immense quantité de traitement du signal qui se produit dans l'œil et le long du chemin vers le cerveau. Ce traitement du signal dépend de la lumière collectée pendant de courtes périodes de temps.

Notre système de vision a évolué pour voir la nourriture, les amis et les dangers dans des conditions bien éclairées. Nous sommes très bons pour voir le mouvement en plein jour. Nous ne sommes pas si bons pour voir des objets stationnaires, et nous ne sommes pas du tout bons pour voir des sources à peine visibles sous un ciel très sombre.

L'astronomie à l'œil nu est limitée par la nature du système de vision humaine. L'objet le plus éloigné que nous pouvons voir est la galaxie triangulaire, et ce uniquement dans des conditions de ciel extrêmement sombre et extrêmement clair.

Pas du tout une question stupide, mais en fait, vous pouvez voir des galaxies lointaines à l'œil nu. De l'hémisphère nord, la galaxie d'Andromède, notre plus grande galaxie voisine, est visible si vous savez où regarder et se trouve dans un endroit raisonnablement sombre. De l'hémisphère sud, les deux galaxies irrégulières plus petites, mais plus proches, appelées les petits et les grands nuages ​​magellaniques, sont visibles.

La raison pour laquelle des galaxies plus éloignées ne sont pas visibles est due à la loi du carré inverse : lorsque les particules de lumière (photons) s'éloignent de la galaxie (ou de toute autre source de lumière), elles sont réparties sur une surface toujours croissante. Cela signifie qu'un détecteur (par exemple votre œil) d'une zone donnée capturera moins de photons, plus il sera éloigné de la galaxie. La loi dit que si dans un intervalle de temps Δt en moyenne il détecte, disons, 8 photons à une distance D, alors dans le même intervalle de temps, à une distance 2D il détectera 8/2 ² = 2 photons. À une distance de 4D, il détectera 8/4 ² = 0,5 photons. Ou, de manière équivalente, il faudra deux fois plus de temps pour détecter un seul photon.

L'essentiel est qu'en principe, vous pouvez voir les galaxies très éloignées, mais les photons sont si peu nombreux et arrivent si rarement que votre œil n'est pas un détecteur suffisamment bon. L'avantage d'un télescope est que 1) il a une zone plus grande que votre œil et 2) vous pouvez placer une caméra à son point focal au lieu de votre œil et prendre une photo avec un temps d'exposition important, c'est-à-dire augmenter le Δt.

Votre raisonnement serait valable non seulement pour les galaxies, mais aussi pour les étoiles et tout ce qui brille dans l'Univers, mais il y a un effet important qui l'invalide: l'absorption de la lumière.

Le milieu intergalactique et interstellaire est rempli de poussière et de gaz, ce qui contribue à absorber et à diffuser la lumière des objets éloignés. Surtout dans le plan de notre galaxie, nous avons encore beaucoup de gaz et de poussière (la Voie lactée est une galaxie relativement jeune): en effet, pour regarder un objet distant nous essayons d'orienter nos télescopes vers le Lockman Hole , chaque fois que cela est possible.

Ceci est particulièrement valable pour la lumière des basses fréquences: à des énergies plus élevées, la diffusion et l'absorption des rayons X et des rayons gamma à partir d'une quantité standard de matériau absorbant sont négligeables (même si, plus vous regardez loin, plus les objets sont jeunes, plus est la poussière et le gaz disponibles qui ne sont toujours pas enfermés dans les étoiles).

Considérez également le paradoxe des Olbers , qui indique qu'un univers en expansion tient compte du "ciel noir".

1. Peu de photons - Vous avez de minuscules pupilles. Seuls les photons qui parviennent à parcourir cette distance sur une distance aussi longue le long d'un chemin qui parvient à croiser vos minuscules pupilles auront une chance d'être vus. Et seuls certains photons qui atteignent votre rétine interagissent réellement avec des molécules qui enregistrent leur arrivée.

2. Interférence - Les molécules de l'atmosphère, la poussière dans l'atmosphère, la réflexion / réfraction de et dans votre œil, la poussière dans le système solaire, le nuage d'Oort, la poussière interstellaire dans notre galaxie, la poussière dans l'espace intergalactique, n'importe quelle molécule le long du chemin, tous peuvent absorber l'un des rares photons et les réémettre dans une direction différente.

3. Stabilité - Les télescopes, en particulier tels que Hubble, peuvent être vraiment, vraiment encore comparés à vos yeux. Non seulement vos yeux font constamment de petits changements, mais vous respirez et votre cœur bat et d'autres choses empêchent les images très sombres de se former.

4. Exposition - La toute première image Hubble Deep Field a été collectée sur environ 100 heures d'exposition . Vous pourriez trouver cela difficile avec vos yeux.

5. Rétention - Le temps d'exposition affecte la quantité de «données» conservées sur l'endroit où les photons ont frappé la surface d'enregistrement. Vos yeux ne se souviendront pas qu'un photon s'est enregistré sur un récepteur même une minute plus tôt. Vos yeux ne sont pas bons du tout pour la «photographie fixe».

6. Pollution lumineuse / expansion universelle - L'univers s'étend depuis des milliards d'années. Au fur et à mesure qu'elle se dilate, la lumière se propageant à travers l'espace «s'étire» davantage jusqu'à l'extrémité rouge du spectre visible. Pour les galaxies éloignées, cela signifie effectivement que leur lumière visible s'est suffisamment déplacée pour être infrarouge et invisible au moment où elle arrive ici. Maintenant, la lumière ultraviolette se déplacerait également, une partie devenant «visible». Mais il commence alors à se mélanger à tous les effets de «pollution lumineuse» dispersés une fois qu'il arrive dans notre atmosphère. Vos yeux ne savent pas du tout savoir quels photons proviennent de quelles sources.

Il existe probablement d'autres facteurs, mais ceux-ci sont peut-être plus que suffisants pour indiquer l'ampleur du problème. Notez que l'image Hubble au début de 100 heures a été une grande surprise pour les astronomes. Même avec les grands télescopes de collecte de lumière précédemment disponibles, ils n'ont pas pu obtenir suffisamment de lumière pour des données utiles. Cet équipement antérieur avait des pupilles beaucoup plus grandes que la vôtre, des surfaces d'imagerie plus sensibles et pouvait «rester immobile» beaucoup plus longtemps que vous; et il avait encore du mal avec des galaxies lointaines.

Tout simplement parce que vous pouvez garder vos paupières ouvertes pendant $x$ secondes ne signifie pas que vous collectez de la lumière pour $x$secondes et l'utiliser pour former une seule image dans votre cerveau. Comment voulez-vous "enregistrer" la photo? Comment décideriez-vous quand mettre fin à la collecte de lumière? Vous savez aussi bien que moi que vous ne pouvez pas simplement lever le doigt du déclencheur de votre cerveau!

Et c'est en plus de tous les autres facteurs, comme expliqué dans d'autres réponses (mais je voulais m'attarder un peu plus sur ce point particulier que les autres réponses).

Je pense que votre question est un recadrage de ce que l'on appelle le "paradoxe d'Obler" - à savoir si l'univers est infini pourquoi le ciel nocturne n'est-il pas blanc, car tôt ou tard notre ligne de visée frappe une étoile, et même si très loin là-bas serait des étoiles infinies là-bas.

La réponse à cela est soit (a) l'Univers n'est pas infini ou (b) l'Univers n'a pas été ici pour toujours, donc même s'il est infini, la lumière de très loin doit encore nous atteindre.

Le cas (b) est généralement accepté - c'est-à-dire que l'Univers a commencé il y a un temps fini dans le "big bang" - bien que (a) soit contesté - c'est-à-dire qu'il se peut que l'univers ne soit en aucun cas infini.

Un humain peut-il voir un seul photon?

L'œil humain est très sensible mais peut-on voir un seul photon? La réponse est que les capteurs de la rétine correspondent à un seul photon. Cependant, les filtres neuronaux ne permettent à un signal de passer au cerveau pour déclencher une réponse consciente qu'au moins environ cinq à neuf arrivent en moins de 100 ms. Si nous pouvions consciemment voir des photons uniques, nous éprouverions trop de «bruit» visuel dans une lumière très faible, donc ce filtre est une adaptation nécessaire, pas une faiblesse.

Selon cet article http://math.ucr.edu/home/baez/physics/Quantum/see_a_photon.html

Comme cela n'est pas toujours possible pour les galaxies éloignées, nous ne pouvons pas voir les galaxies éloignées.

Le cœur de la question a déjà été répondu, mais il est toujours intéressant d'illustrer à quel point il est difficile de faire des observations à l'œil nu d'une galaxie voisine extrêmement lumineuse M81. L'astronome Brian Skiff rend compte de son observation réussie à l'oeil nu de cette galaxie ici .

Or, les galaxies d'une luminosité donnée sont plus difficiles à repérer que les étoiles de même luminosité, en raison de leur nature étendue. Si le ciel est suffisamment sombre, vous pouvez voir des étoiles aussi faibles que la magnitude 8, mais vous aurez toujours du mal à repérer M81 qui a une luminosité de magnitude 7. La magnitude 7 est une figure artificielle obtenue en additionnant la lumière qui vient de directions légèrement différentes.

De plus, vous n'avez besoin que d'une très faible quantité de pollution lumineuse pour rendre l'arrière-plan du ciel un tout petit peu gris pour faire disparaître la galaxie de la vue, tandis que la visibilité des étoiles faibles reste essentiellement inchangée. En effet, la luminosité en fonction de la position dans le ciel dans le cas d'une étoile a un pic très fort et étroit tandis que dans le cas d'une galaxie, en raison de sa nature étendue, ne montre pas un grand pic. La luminosité intégrée peut être la même pour les deux cas, mais la quantité de lumière de fond dont vous avez besoin pour rendre la galaxie invisible est évidemment bien inférieure à celle dont vous avez besoin pour l'étoile.