为什么我们不能用肉眼看到遥远的星系?


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如果光一直沿直线传播,为什么我们不能用肉眼看到遥远的星系?当然,如果您凝视了足够长的时间,它们发出的光线最终会击中您的眼睛吗?抱歉,这是一个愚蠢的问题:)


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TL; DR回答:您的眼睛无法像望远镜那样长时间曝光。我们的眼睛进化成最适合人类的昼夜天性并生活在一个危险的世界中。其中许多适应我们生存的适应措施都不利于在夜间看到非常昏暗的静止物体。
大卫·哈门


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凝视太阳(不要)。所有的光都射在你的眼睛上,那为什么不分辨细节呢?远见不仅仅是光能照到您。

Answers:


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当然,如果您凝视了足够长的时间,它们发出的光线最终会击中您的眼睛吗?

在很长一段时间内收集光是望远镜看到非常暗的物体的方式。人类的视觉系统无法正常工作。

一方面,即使您认为自己在凝视某物,您的眼睛仍然会跳舞。这是一种内在的反应,称为眼部微震。这些微震似乎是使视觉系统正常运作的重要组成部分。

另一个原因是,您的眼睛没有并且不能在任意长时间(如摄影望远镜可以采集)的情况下收集光。眼睛以及通往大脑的过程中发生了大量的信号处理。这种信号处理取决于短时间内收集的光。

我们的视觉系统不断发展,可以在光线充足的条件下看到食物,朋友和危险。我们非常擅长在光天化日之下观看运动。我们不太擅长看到静止的物体,也不擅长在非常黑暗的天空下看到几乎看不见的光源。

裸眼天文学受到人类视觉系统的限制。我们可以看到的最遥远的物体是Triangulum星系,并且仅在极黑暗和极晴朗的天空条件下。


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请注意,在这种特定情况下,我们可以看到一个遥远的星系。
Mooing Duck 2015年

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@MooingDuck-对我来说,一个“遥远星系”是我们刚才看到的一盏灯,实际上它是数十亿年前发射的。按照这个标准,Triangulum Galaxy就在隔壁。它不是一个“遥远的星系”。另一种看待它的方式:可观察到的宇宙中有(暗示卡尔·萨根)数十亿个星系。在那巨大的数目中,我们用肉眼只能看到四个。
David Hammen

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它可能不是遥远的星系,但它是一个遥远的星系。:P
莫妮卡(Monica)与Lightness赛跑

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根本不是愚蠢的问题,但实际上您可以用肉眼看到遥远的星系。从北半球,如果您知道要看的地方,可以看到我们最大的邻近星系仙女座星系,并且该星系在相当暗的地方。从南半球可以看到两个较小但较近,不规则的星系,分别称为麦哲伦星云。

之所以看不到更远的星系,是由于平方反比定律所致:随着光粒子(光子)从星系(或任何其他光源)中退去,它们分布在不断增加的表面上。这意味着给定区域的检测器(例如,您的眼睛)将在距离银河系越远的地方捕获更少的光子。该法则说,如果在平均时间间隔Δt中它检测到距离D等于8个光子,那么在相同的时间间隔中距离2D它将检测到8/2 2 = 2个光子。在4D距离处,它将检测到8/4 2 = 0.5个光子。或者,等效地,检测单个光子将需要两倍的时间。

最重要的是,原则上您可以看到非常遥远的星系,但是光子却很少,到达极少,因此您的眼睛还不够好。望远镜的好处是:1)它的面积比眼睛大; 2)您可以将相机放在其焦点而不是眼睛,并以较大的曝光时间拍照,即增加Δt。


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原则上,您无法用肉眼看到非常遥远的星系。仙女座星系,麦哲伦星系和三角星系是附近的星系,不是很遥远的星系,这些都是肉眼天文学的局限性。人类视觉系统的许多特征使其无法看到比这四个更遥远的事物。
David Hammen 2015年

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好的,我想我在银河系中相对于恒星解释了“遥远”一词,但我想@DavidHammen是对的,它的意图更像是“比我们看到的星系更遥远”。正如我试图在回答的最后部分描述的那样,但是David用他的解释更好,眼睛不是很好的检测器。我的意思是“原则上……但是……”
pela

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@DavidHammen可能值得注意的是,您甚至不能用肉眼(只是核心)看到很多仙女座星系-整个仙女座星系比月球宽约6倍!
迈克尔

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您的推理不仅适用于星系,也适用于恒星以及宇宙中发光的任何事物,但是有一个重要的影响使它无效:光的吸收。

星际和星际介质充满了灰尘和气体,它们有助于吸收和散射来自远处物体的光。尤其是在银河系的飞机上,我们仍然有大量的气体和尘埃(银河系是一个相对较年轻的星系):的确,要观察遥远的物体,我们会尽可能地将望远镜对准洛克曼洞

这对于低频光尤其有效:在较高的能量下,标准量的吸收材料对X射线和伽马射线的散射和吸收可以忽略不计(即使您看得越远,物体越年轻,是仍然没有锁定在恒星中的尘埃和气体)。

另外,请考虑奥尔伯斯悖论,它表明宇宙正在膨胀,以解释“黑暗的天空”。


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是的,在我的回答中,我没有考虑吸收。然而,在可见波长处(根据定义,这是眼睛可以检测到的波长),这不是我们看不到遥远星系的主要原因,除非像@ Py-ser所提到的那样,您可以从银河系的平面中观察。在大多数方向上,在可见波长处的消光(称为A_V)约为0.1-0.5左右,这意味着仅吸收了10%到30%的光。
佩拉2015年

同意 光吸收仅在某些方向上很重要。除非吸收是它们固有的,否则它不会阻止我们看到遥远的星系。
罗布·杰弗里斯

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  1. 光子很少-您的瞳孔很小。只有设法沿着与小瞳孔相交的路径行进那么多距离的光子才有机会被看到。而且只有一些到达视网膜的光子实际上与记录其到达的分子相互作用。

  2. 干扰-大气中的分子,大气中的尘埃,眼睛和眼睛的反射/折射,太阳系中的尘埃,奥尔特云,银河系中的星际尘埃,星际空间中的尘埃,以及路径,所有的光都可能吸收少数几个光子中的任何一个,然后以不同的方向重新发射。

  3. 稳定性-与您的眼睛相比,尤其是像哈勃望远镜这样的望远镜确实可以。不仅您的眼睛不断地发生微小的变化,而且您呼吸,心跳以及其他事物都使非常模糊的图像无法形成。

  4. 曝光-第一个哈勃深场图像是在曝光约100小时后收集。您可能会发现眼睛很困难。

  5. 保留-曝光时间会影响保留多少光子撞击记录表面的“数据”。您的眼睛不会记得光子甚至在一分钟前就已在受体处注册。您的眼睛根本无法进行“静态摄影”。

  6. 光污染/普遍膨胀-宇宙已经膨胀了数十亿年。随着它的扩展,在空间中传播的光会更多地“伸展”到可见光谱的红色末端。对于遥远的星系来说,这实际上意味着来自它们的可见光已经移动到足以被红外反射到到达时不可见的程度。现在,紫外线也会发生转移,其中一些会变得“可见”。但是一旦到达大气层,它就会开始与任何分散的“光污染”效应混合在一起。跟踪哪些光子来自什么来源,您的眼睛根本不好。

可能还有其他因素,但也许这些因素足以表明问题有多严重。请注意,最初的100小时哈勃望远镜影像为天文学家带来了很大的惊喜。即使使用以前可用的大型聚光望远镜,它们也无法获得足够的光来获取有用的数据。较早的设备比您的瞳孔大得多,成像表面更敏感,并且“坐着”的时间比您长得多。而且它对遥远的星系仍然有困难。


您是唯一提到红移的人-对“遥远星系”来说无疑很重要。如果您可以在莱曼假期工作,我会给您+1。正是由于这一点,我们才无法看到红移的紫外线。不确定您所说的混合有散射光污染是什么意思?
罗布·杰弗里斯

@RobJeffries当(尘土飞扬/烟熏/等)大气散射来自附近任何发射源的光时,光污染会从各个方向影响我们对任何昏暗天体的视线,从而压倒了昏暗的光线。莱曼断裂效应可能适用于'2。干扰”,因为它是吸收光子空间中“物质”的一个很好的例子。但是对于真正的“遥远”星系来说,它不应该那么重要,因为红移光应该更少,甚至不应该被更多的本地星际气体吸收。(无论如何我都不是专家,但这似乎是合理的。)
user2338816 2015年

“莱曼断裂”星系在较远的距离。它们被中性H吸收的静止帧吸收了固有的紫外线,而星系在它们的红移波长下对我们不可见。
罗布·杰弗里斯


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我认为您的问题是对所谓的“奥伯勒悖论”的重新诠释-即如果宇宙是无限的,为什么夜空不是白的,因为我们的视线迟早会撞到一颗恒星,即使那里很远那里会有无限的星星。

答案是(a)宇宙不是无限的,或者(b)宇宙从未永远存在过,所以即使它是无限的,遥远的光仍未到达我们。

情况(b)被普遍接受-即宇宙是在有限的时间之前在“大爆炸”中开始的-尽管(a)是有争议的-即在任何情况下都有可能宇宙不是无限的。


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人类可以看到单个光子吗?

人眼非常敏感,但是我们可以看到单个光子吗?答案是视网膜中的传感器可以响应单个光子。但是,神经过滤器仅在不到100毫秒内至少有五到九个信号到达时,才允许信号传递到大脑以触发有意识的反应。如果我们可以有意识地看到单个光子,那么我们将在非常低的光线下遇到太多的视觉“噪声”,因此此滤镜是必要的调整,而不是弱点。

根据本文http://math.ucr.edu/home/baez/physics/Quantum/see_a_photon.html

因为这对于遥远的星系并不总是可能的,所以我们看不到遥远的星系。


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这个问题的核心已经回答了,但是说明用肉眼观察附近一个非常明亮的星系M81有多么困难仍然很有趣。天文学家布赖恩·斯基夫交代了这个星系中他成功的在肉眼观察这里

现在,给定亮度的星系由于其扩展的性质,比相同亮度的恒星更难发现。如果天空足够暗,那么您可以看到恒星的亮度只有8级,但是您仍然很难发现M81的强度为7级。7级是通过将入射光加总而获得的人造图形。从略有不同的方向。

而且,您只需要非常少量的光污染就可以使天空背景变成一点点灰色,从而使银河从视线中消失,而隐约恒星的能见度基本上不受影响。这是因为在恒星的情况下,亮度随天空位置的变化而具有非常强而狭窄的峰值,而在星系的情况下,由于其扩展的性质,不会显示出很大的峰值。两种情况下的总亮度可能相同,但是使星系不可见所需的背景光的数量明显少于恒星所需的背景光。

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