¿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

Tu problema básico es que estás pensando en la luz como rayos. En cambio, piensa en ella como partículas individuales: fotones. Los fotones no se "degradan", existen o no existen. Por tanto, cualquier fotón viaja a la velocidad de la luz hasta que choca con algo: una partícula de polvo interestelar/intergaláctico, el espejo del telescopio Hubble o tu retina.

Ahora una búsqueda rápida encuentra que una estrella bastante típica como el sol emite $10^{45}$ fotones cada segundo. Hay alrededor de $10^{11}$ estrellas en una galaxia típica, por lo que es $10^{55}$ fotones por segundo.

Ahora, algo de geometría simple* da el número de fotones emitidos por una galaxia -digamos Andrómeda, ya que está cerca, y se puede ver sin telescopio en buenas condiciones- que golpean tu retina. Si mis cálculos son correctos (siempre discutibles :-)), unos $3.6 *10^6$ fotones/segundo, lo que no es mucho teniendo en cuenta que la luz del día ordinaria es de miles de millones/segundo.

Entonces, ¿cómo podemos ver las galaxias lejanas? De tres maneras, en combinación.

1. Las lentes o los espejos recogen los fotones de una zona más amplia.

2. Mira el objeto durante más tiempo y recoge los fotones.

3. Utilizar un detector -originalmente película fotográfica, ahora varios artilugios electrónicos- más sensible que el ojo.

Para dar un ejemplo concreto, el telescopio Hubble tiene un espejo de 2,5 m de diámetro. Para crear la imagen del Campo Profundo Extremo, recogió fotones durante 2 millones de segundos: https://www.nasa.gov/mission_pages/hubble/science/xdf.html

*Un cálculo rápido de la parte de atrás del sobre - las correcciones matemáticas son bienvenidas: Andrómeda está cerca de $2.5*10^6$ a años luz de distancia. Un año luz = $1.9*10^{15}$ metros. Así que los fotones que emite Andrómeda se reparten por la superficie de una esfera de radio $4.75*10^{21}$ metros. Introduciendo esto en la fórmula del área de una esfera $4\pi r^2$ da $2.8 * 10^{44} m^2$ Así que sobre $3.6 * 10^{10}$ fotones golpean cada metro cuadrado a la distancia de la Tierra.

1 metro cuadrado es 1 millón $mm^2$ . La retina tiene una superficie de aproximadamente 100 $mm^2$ . Así, alrededor de $3.6 *10^6$ los fotones de Andrómeda llegan a tu ojo.

Answer 2

Agrego esta respuesta porque me parece que las otras respuestas no se centran en tu pregunta sobre "¿Qué impulsa a los rayos de luz a viajar distancias enormes? Las otras respuestas explican muy bien por qué tenemos una visión sin obstáculos de ciertos objetos a miles de millones de años luz, explicando la inmensidad del espacio vacío y el hecho de que la materia está distribuida de forma realmente dispersa. Me gustaría mencionar dos cosas interesantes:

1. Por qué la luz no necesita una fuerza motriz para viajar (teóricamente de forma infinita) y mantener su velocidad c en el vacío

Por otro lado, es muy importante entender que la luz, y los fotones que la forman, son partículas sin masa y siempre viajan a la velocidad c cuando se mide localmente, en el vacío. Énfasis en el vacío. Los fotones no necesitan una fuerza motriz adicional para viajar esas enormes distancias. A menos que los fotones interactúen (y sean absorbidos o se dispersen en diferentes direcciones o el campo gravitatorio cambie su dirección) con algo (materia), seguirán su camino sin obstáculos hasta nosotros a la misma velocidad c.

2. Por qué no sólo la interacción con la materia puede afectar a los fotones, sino que el propio campo gravitatorio también puede hacerlo

Me gustaría mencionar ciertas formas en que los campos gravitacionales a lo largo del viaje afectan a los fotones:

1. Desplazamiento gravitacional, a medida que el universo se expande, los fotones que viajan en el espacio en expansión se estirarán, su longitud de onda aumentará, por lo que perderán energía, pero esto no puede cambiar su velocidad (siempre viajan a la velocidad c cuando se mide localmente)

2. en las enormes distancias que recorren los fotones hasta llegar a nosotros, entran y salen constantemente de los pozos gravitatorios, es decir, de los campos gravitatorios de objetos gigantes como las galaxias, esto reduce y aumenta su energía, pero no puede cambiar su velocidad, no puede frenarlos

3. La lente gravitacional, puede cambiar la dirección original de los fotones, y crear el efecto de lente

4. ciertos objetos, como los agujeros negros, pueden atrapar la luz para siempre (esfera de fotones)

Así que, en resumidas cuentas, no sólo la interacción con la materia cuenta como obstrucción, sino que los campos gravitatorios en el camino pueden alterar la dirección o la energía de los fotones (o incluso atraparlos).

Answer 3

Como se ha comentado en las respuestas anteriores, la densidad del espacio intergaláctico es tan baja que la luz puede viajar a través del universo en gran medida sin obstáculos.

Es posible que el autor de la pregunta intente averiguar por qué los fotones pueden viajar indefinidamente por el espacio vacío. Todas las pruebas disponibles sugieren que estas partículas no tienen masa. Por lo tanto, según la relatividad especial, los fotones no experimentarán ningún paso del tiempo. Por lo tanto, no parecerán tener una vida finita para un observador externo.

Alternativamente, no se cree que haya un conjunto de partículas en las que un fotón solitario pueda decaer basándose en la conservación de la energía, el momento y la carga.

Answer 4

Piensa por un momento en la evolución biológica y en cómo funciona a través del proceso de selección. El mismo proceso es aplicable a su pregunta. La luz que vemos no es una representación exacta de toda la luz que viaja desde galaxias lejanas. Sólo vemos la luz que ha sido seleccionada por las circunstancias de su trayectoria. La luz que no encuentra suficiente materia para bloquearla llega aquí. La luz que encuentra suficiente "materia" nunca llega aquí. La respuesta a tu pregunta la da la luz que no vemos. No hay ningún misterio aquí. La materia acentuará la luz. La luz se apaga en su viaje. Cuando miramos las galaxias lejanas, algunas son más brillantes, otras son más débiles, algunas sólo se pueden ver en longitudes de onda que no están en el espectro visible y otras no se ven en absoluto. Estas obsevaciones nos dicen que la luz de las galaxias lejanas se "apaga". La respuesta a tu pregunta es que el viaje sí pasa factura a la luz.

Answer 5

Según la teoría electromagnética, la masa en reposo del fotón en el espacio libre es cero y también el fotón tiene una masa en reposo distinta de cero, además de depender de la longitud de onda. El experimento más reciente ha revelado su valor no nulo como $10^{-54}$ kg (5,610 ×10-25MeV $c^{-2}$ ) [1]: https://doi.org/10.1016/j.rinp.2019.102866 . Una de las consecuencias de esto sería que los fotones podrían decaer en partículas elementales más ligeras, aunque es discutible. La idea es que La luz es una onda electromagnética que consiste en vectores eléctricos y magnéticos perpendiculares entre sí. La noción importante aquí es que el campo eléctrico oscilante produce un campo magnético oscilante incluso cuando no hay cargas presentes y no fluye ninguna corriente física. Esto lleva a que una onda electromagnética se propague hasta el infinito a través de un vacío perfecto sin perder energía en el espacio ,En el espacio no hay materia y la presión es tan baja que cualquier partícula allí no afecta a ningún proceso que se lleve a cabo. Por lo tanto, la luz puede viajar largas distancias en el vacío