¿Cómo nos llega la luz de las galaxias lejanas?

Question

¿Por qué un rayo de luz emitido por una galaxia lejana, digamos a unos mil años luz, no se apaga en el medio?

Es decir, ¿cómo nos llegan en la actualidad los rayos de luz de diferentes galaxias tan lejanas, cuando fueron emitidos hace tanto tiempo? ¿Por qué no se amortiguan y se pierden por completo? ¿Qué es lo que hace que los rayos de luz viajen a enormes distancias SIN ser amortiguados o perderse por completo?

Ahora bien, cómo explicar esto si el momento y la energía constantes son los que impulsan a un fotón a través del espacio (según https://physics.stackexchange.com/a/667784/311056 )?

Answer 1

Se estima que el espacio intergaláctico tiene una densidad media de aproximadamente $1$ molécula por metro cúbico.

El aire tiene una densidad de aproximadamente $ 3 \times 10^{25}$ moléculas por metro cúbico.

1 año luz es aproximadamente $9 \times 10^{15}$ metros.

Por lo tanto, una burda multiplicación sugeriría que un fotón que atraviesa 13.500 millones de años luz de espacio intergaláctico tiene tantos encuentros con las moléculas como un fotón que atraviesa 4 metros de aire.

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Nada impulsa la luz. Un objeto con impulso no pierde su impulso a menos que tenga una interacción en la que transfiera el impulso a otra cosa. Nadie sabe por qué es así, simplemente es como es el universo. Un fotón es un objeto con impulso, por lo que sigue avanzando eternamente a menos que tenga una interacción con otra cosa. La respuesta de Joseph H. cubre la interacción con un universo en expansión, conocida como corrimiento al rojo cosmológico, que atenúa $^1$ y enfría $^2$ luz lejana, pero no la borra ni cambia su dirección. Para cambiar su dirección, la luz debe ser dispersos que sólo ocurre en las interacciones con la materia o la gravedad, no con el espacio vacío. Para dejar de existir, la luz necesita ser absorbido que sólo ocurre en las interacciones con la materia.

1: La luz es más tenue si tiene un menor número de fotones por segundo por unidad de superficie.

2: La luz es más fría cuando tiene menos energía por unidad de fotón. En el espectro visible, el rojo es el color de menor energía, por lo que llamamos a este fenómeno redshift .

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Una edición para comprobar la realidad: una proporción equivalente de números más pequeños, como mil millones de años luz de espacio intergaláctico por unos 30 centímetros de aire, estaría más en consonancia con las distancias reales recorridas a través del espacio que realmente tiene esa densidad, ya que si nos remontamos demasiado en el tiempo tenemos que deshacer tanto la gravedad que concentra la materia en las galaxias como la expansión cosmológica que esparce lo que queda.

Answer 2

El paso de un fotón sólo se "amortigua" si interactúa con algo

Se supone que los objetos se cansan al viajar. Esto es erróneo incluso para objetos pesados, como sabemos desde Newton (o antes).

Antes se creía que los objetos con masa necesitaban ser empujados para seguir moviéndose. Pero la primera ley del movimiento de Newton dice que las cosas en movimiento siguen moviéndose en línea recta hasta que se ejerza una fuerza sobre ellas. La intuición de que las cosas se detienen (que es lo que solemos observar en la Tierra) es errónea cuando tenemos en cuenta todas las fuerzas (gravedad, resistencia del aire, etc.) Pero parece que te aferras a la idea prenewtoniana y la has extrapolado al caso más complicado de los fotones (que no tienen masa y siempre viajan a la misma velocidad en el vacío pase lo que pase).

Pero la suposición que haces de que los fotones deben cansarse de tanto movimiento es el mismo tipo de error. En realidad, lo único que puede "amortiguar" el movimiento de un fotón es su interacción con algo. Y el espacio interestelar está espectacularmente vacío de cosas con las que un fotón pueda interactuar.

¿Por qué no se amortigua su movimiento? No hay suficiente materia con la que pueda interactuar para amortiguarlo (o, más exactamente, para muchos fotones no hay suficiente materia para bloquearlos a todos). ¿Qué impulsa a los rayos de luz a seguir viajando? Nada. Como los objetos masivos en la gravedad newtoniana, siguen viajando a menos que algo los detiene.

Answer 3

Se amortigua y se pierde en su camino por las nubes de polvo, y al interactuar con ciertos compuestos químicos gaseosos en el espacio profundo (ver bosque lyman-alfa ). Las galaxias que podemos ver desde muy, muy lejos son las que podemos ver sin polvo. Hay que tener en cuenta también que es posible que los gases del espacio eliminen ciertas longitudes de onda características de la luz, pero que sigan pasando suficiente luz visible para que las galaxias, etc., puedan verse con telescopios.

En ausencia de polvo y gas, la luz puede viajar durante miles de millones de años luz a través del espacio vacío porque el espacio vacío es transparente a los fotones es decir, no contiene mecanismos de disipación para deshacerse de las energías de los fotones.

Answer 4

Supongo que el trasfondo de tu pregunta es que en nuestra experiencia diaria las olas hacer se apagan cuando viajan lejos. Sólo podemos escuchar una conversación desde cierta distancia, las ondas en un estanque tienen un alcance limitado y no sentimos un terremoto que ocurra lejos aunque se produzca en el mismo planeta Tierra.

Hay dos razones por las que podemos ver la luz desde lejos.

1. El ejemplo del terremoto nos da una pista, al igual que el de la conversación. Porque, de hecho, nosotros puede "sentir" el terremoto. Sólo necesitamos un instrumento especializado - un sismómetro - que amplifica el débil movimiento que aún nos llega. Lo mismo ocurre con las conversaciones. Dada la equipo adecuado para amplificar la débil señal que nos llega podemos escuchar conversaciones a distancias asombrosas. Lo mismo ocurre con los objetos celestes lejanos. Podemos "verlos" porque aquí también utilizamos equipo especial para amplificar la débil señal que nos llega.

2. Todos los ejemplos cotidianos tienen en común que la señal se mueve a través de un medio material como la Tierra, el agua o el aire. Este movimiento no está exento de fricción: ningún proceso macroscópico (un proceso en el que intervienen muchas partículas microscópicas) lo está. En cambio, la luz se mueve a través del vacío, que no es un medio en el sentido del agua o el aire. Más bien, es (al menos hasta que tengamos la gravedad cuántica) el escenario El andamiaje, el entramado sobre el que suceden las cosas. En el nivel de las partículas, no hay fricción: La fricción es un fenómeno emergente que resulta de la interacción de agregados de muchas partículas.

   Aunque no hay fricción en el nivel de las partículas, se puede tienen dispersión. Cuando la luz atraviesa un medio como el aire, el agua o el vidrio, los fotones a veces se desvían y pierden parte de su energía, lo que provoca la excitación de algunos átomos, que suelen calentar el medio. En el nivel macroscópico esto aparece -surge- como dispersión, dando lugar a "ruido" como un cielo azul o calor y amortiguando la señal original. Por eso se puede mirar al sol en la puesta de sol sin quemarse inmediatamente la retina. (No me hago responsable de nada si lo haces).

   Pero para la dispersión se necesita materia. En el espacio intergaláctico casi no hay materia, por lo que casi no hay dispersión y, por tanto, casi no hay amortiguación. No es casualidad que el Hubble esté en el espacio: Los últimos 80 km de aire comprometerían la imagen de una galaxia a 13.400 millones de años luz más que los 1.698.817.160.999.999.999.999.920km de vacío anteriores, porque durante este último milisegundo de su viaje de mil millones de años un fotón de GN-z11 encuentra miles de veces más átomos que durante todo su viaje por el universo anterior. Lo que importa es la materia.

Sin embargo, sigue existiendo el principio general de que la intensidad de la radiación que emana de una fuente disminuye con el cuadrado de la distancia. Seguramente usted lo conoce bien. No tiene nada que ver con la dispersión o la interacción de ningún tipo, sino que simplemente refleja que la superficie de las esferas imaginarias por las que pasa sucesivamente el mismo "flujo" de radiación crece cuadráticamente: Los mismos fotones se distribuyen en superficies cada vez más grandes. Esa es la principal razón por la que necesitamos espejos de tamaño equivalente para observar objetos lejanos: Para recoger tantos fotones como podamos del flujo tan repartido que nos llega.

Answer 5

Como otras respuestas trataron de explicar, no se trata de qué mecanismo prevenir fotones se pierdan, sino encontrar un mecanismo que sería eliminar suficientes fotones para que no pudiéramos observarlos más.

de acuerdo con nuestra comprensión de la física fundamental:

los objetos con menos masa viajan con la "velocidad de la luz"

Según la relatividad, todo lo que tiene masa cero viaja siempre con la velocidad (local) de la luz. No hay nada que "impulse" a estos objetos. Es una propiedad fundamental del espaciotiempo. La masa es la "resistencia a la aceleración", sin masa no hay resistencia y los objetos se mueven con la "velocidad máxima permitida".

la energía se conserva

Una vez creado un fotón, hay que encontrar un mecanismo para deshacerse de él de nuevo. Los fotones no se descomponen, por lo que se necesitan otras entidades con las que interactuar y que los disipen/absorban, véase, por ejemplo, el argumento relativo al polvo y otras moléculas. Si no se puede encontrar una explicación de por qué no lo haría ver la luz de miles de millones de años luz, entonces esa es su explicación de por qué lo hacemos.