哈勃望远镜能看那么远,那为什么不直接这样观察星球?

自1990年4月24日升空以来,哈勃望远镜已经拍摄了无数张迷人的星空图片,在2016年3月4日,哈勃还拍到了134亿光年之外的古老星系,刷新了人类观测距离的记录。

哈勃望远镜能看那么远,那直接这样观察星球怎么样?其实,尽管哈勃望远镜性能优越,但拍摄太阳系内的行星卫星并不是它的强项,它在这方面做得还不如近距离掠过的探测器。

我们以火星为例来进行说明。根据哈勃望远镜的分辨率(0.05角秒),以及哈勃望远镜到火星的距离(取最近的距离5600万千米),我们可以计算出在哈勃望远镜拍出的最清晰的火星图片中,一个像素相当于火星上的13公里。这种分辨率足以碾压几乎所有地球大气层内部和近地轨道上的望远镜,但这相对于火星探测器来说,还是太弱。火星勘测这轨道飞行器距离火星地表只有300千米,在如此近的距离下,它拍摄火星表面的分辨率是甩了哈勃望远镜好几条街了。火星勘测这轨道飞行器携带的相机的分辨率只有0.2角秒,一个像素对应0.3米,与哈勃望远镜差了好几个数量级,这就是距离的优势。

时间进入21世纪的今天,太阳系的八大行星、主要的卫星、各矮行星以及主要的小行星,都已经有探测器环绕拍摄或者近距离掠过拍摄,得到的图像也远比哈勃望远镜拍摄的清晰许多。所以,哈勃望远镜在这个领域已经没有用武之地了。

川陀太空

20170824

如果题主说的“星球”是指太阳系中的行星和各种天体的话……谁说哈勃望远镜不能直接观测这些天体的?有图有真相:

↓火星及其卫星

(来源:
http://hubblesite.org/image/4061/news/62-mars)

↓木星的极光

(来源:
https://www.nasa.gov/feature/goddard/2016/hubble-captures-vivid-auroras-in-jupiter-s-atmosphere)

↓ 木卫二的羽流(来源:
http://hubblesite.org/image/4016/news/20-jupiter)

↓ 木卫三的极光

(来源:
http://hubblesite.org/image/3505/news/20-jupiter)

↓天王星的环和卫星

(来源:
https://www.jpl.nasa.gov/spaceimages/details.php?id=PIA01281)

↓ 海王星上的暗点

(来源:
http://hubblesite.org/images/news/69-neptune)

只不过,由于人类目前的技术已经完全可以允许我们通过发射探测器来更精细更多元地探测太阳系中的各种天体了,所以探测器能够观测到更多而已不仅是各种波段的光学观测,探测器还会携带各种科学仪器,更有针对性、更加全方位地观测这些太阳系天体。

例如木星探测器朱诺号,就携带了重力测量装置、磁场测量仪器、等离子体和带电粒子测量仪器等各种仪器。

(图:朱诺号搭载的科学仪器。

来源:
https://www.nasa.gov/mission_pages/juno/spacecraft/index.html)

再比如火星探测器好奇号,不仅携带了多个高分辨率相机,可以直接在火星表面上近距离拍摄,还携带了可以直接在火星上分析矿物成分的化学仪器(ChemCam),想知道这块石头什么成分?直接激光打过去测一下就好,光谱马上就出来了……

(图:好奇号的化学相机ChemCam。

来源:
https://msl-curiosity.cnes.fr/en/MSL/GP_chemcam.htm)

总结:哈勃望远镜当然可以观测太阳系中的各个天体,只是针对每个具体的天体,探测器的探测更有针对性、更加全面、而且有时候精度更高而已。即便如此,哈勃望远镜以及许多天文望远镜也依然是我们观测研究太阳系内天体时的重要辅助手段。至于太阳系以外的、更远的星球和天体……太远了,拍不了那么清楚……


哈勃望远镜的目的是尽可能看得远一点,目前哈勃最远看到过134亿光年外的天体,但是也仅仅是看到而已,哈勃望远镜2.4米的口径其实连月球的细节都看不清,更不要说几十光年上千万光年外的天体了。

哈勃望远镜能做到的只是增加星体的亮度,无法呈现出任何细节,而且就算是6.5米的韦伯望远镜上天后也同样无法看到星球的细节,望远镜小只是一方面的原因,根本问题还是天体距离太远。

哈勃望远镜看4.22光年外的比邻星就像是从北京看上海的一个苹果大小的光源,最多只能看到这个光源,至于这个光是什么东西发出来的,哈勃望远镜是看不到的,哈勃望远镜能看到的只是本身就会发光的恒星和巨量恒星构成的星系,对于不发光的行星的观测能力是非常有限的。

人类现在的宇宙学观测主要是可见光波段和不可见光波段,可见光本质上也是电磁波的一种,而可见光波段之外的广阔电磁波频段也隐藏着天体的很多信息,所以单靠哈勃望远镜是不行的,射电望远镜起到的作用有时比光学望远镜更大。

这个问题不能见到以我们的个人感觉去思考,认为哈勃望远镜如此精密高端,应该可以看到遥远的星球。

但事实上,不管再高端的望远镜,原理与普通望远镜确实一样的。

这里有个角分辨率的概念需要提一下,也就是望远镜能看到的最小空间大小,比如说望远镜能看到最小的角度为1度,说明它远处垂直方向张角为1度的东西!

1度,我们感觉非常小的角度,但是如果距离足够远,1度的角度看到的对应物体也足够大!

比如说,1米远处1度对应的物体只有17厘米,而1千米在1度对应的物体达到17米,如果是一亿米,一亿光年呢?

而如果是太阳到地球的距离,一度对应大小足足有两个太阳那么大,所以理论上如果想看清太阳的细节,比如减小角度,比如但到1角分,甚至1角秒!

而望远镜的口径与角分辨率成反比,也就是口径越大,角分辨率也就越小。用1角秒(1度的3600分之一)的望远镜也只能看清太阳的千分之一,远不能看清太阳的细节!

而哈勃望远镜的口径是2.4米,对应的角分辨率也只有0.1角秒,这样的角分辨率即使看冥王星也只有几个像素的大小,想看清细节几乎不可能!

所以,动辄上千光年(甚至)更远的天体,就更不可能看清细节了,理论上如果你有口径与太阳系一样大小的超级望远镜或许能看清细节,但这现实吗?

最后一点,如今我们看到的各种星空和天体图像多半是通过长期观察然后电脑合成的,并不是星空的真实图像,不是因为哈勃望远镜不够精密,主要是因为天体和星空距离我们是在太远了,理论上不允许我们看到真实的细节!

1990年4月,美国用航天飞机把一个口径为2~4米的光学望远镜送入太空,并以美国著名天文学家哈勃的名字来命名,称为哈勃空间望远镜。为什么人类要耗资21亿美元和长达40多年的时间才建成的望远镜发射到太空中呢?

如果你在地面利用望远镜观测过某些天体,就会知道,不论望远镜口径制作的多大,仍会有许多天体观测不到。这是因为许多天体发出许多可见光,而且还发出一些我们肉眼看不见的光,如紫外线、红外线、X射线等,他们闯过地球厚厚的大气层时,绝大部分被大气层反射或吸收了,只有可见光。射电波和一小部分红外线能够照射到地面,从而使观测精度都受到影响。

送入太空的天文望远镜所要做的任务是探测、测量遥远星空中由恒星火星系发出的光。对那些用肉眼看不见的光则用特殊的一起来探测。当哈勃空间望远镜的主镜对准某一发光星球时,来自遥远星球的光会被聚焦到望远镜的各个仪器上,然后将收集到的数据转换成无线电信号,并借助通讯卫星转发到地球,地球上的计算机再将接收到的信号还原乘客供天文学家研究的各种图像,从而揭开宇宙的许多秘密。

目前,宇航员已经给“患了近视的”的哈勃空间望远镜矫正了“视力”,现在发送回地面的图像非常清晰。天文学家把哈勃空间望远镜誉为“观天法宝”,相信有了它人类可以观测到更远的天体。

题目部分描述是错误的。

实际不存在看得远的说法。

蝙蝠发声波,声波反射,蝙蝠接受,这里面有蝙蝠看多远的说法。

而天文观察,没有我们发出探测信息这个步骤。

我们只能接受自然传播到我们望远镜接收器的信息。这些信息一直持续的传来。

这就是说,我们实际上能”看”无限远。

睁开眼,就有无数年前无限远的物体发出的信息,刚好传到你的眼中。

问题是有无限多的不同距离的信息,同时到达。望远镜的作用是收集信息,然后由计算机做更重要的信息分离工作。只提取我们想要的信息。

越远的信息越微弱,需要更强大的信息收集器望远镜。需要更强大的计算机提取微弱的信息,加工成我们想要的结果。

我们不可能看到更远的物体的即时信息,信息传播需要时间。我们看到的太阳,是8分钟前的太阳。

所以我们最多只能通过望远镜加上计算机整理出来的过去的录象。

越大变化越慢的物体录像会优先被看到。远方物体微小的快速变化的细节更难被整理出来看到。

说个大家可能无法接受,却又欣然接受了的事实。我们甚至看不到近在眼前的物体的变化录像。专家说了可能永远看不到。这就是量子力学说的不确定性原理,只要尝试去看,被看的物体就会变化,给你想看的结果,它真实的情形永远不能被知道。

那么我们哪里有可能看到远方微小物体的真实情况。

好在,我不信专家胡说八道,随着技术发展,我们会看到更多细节的。

哈勃在观测行星方面并没有想象的那么厉害,细节上看的也不会比地面望远镜更清晰,毕竟是上个世纪的产物,放到现在来说已经是有些落后了。

想要看到宇宙中那些发光的恒星,用普通望远镜就可以观测,虽然看的不是太清楚。

可如果想要观察行星表面,那就需要有很高的分辨率,这个看的是望远镜的口径,而哈勃的口径仅仅只有2.4米,这个尺度对于遥远的宇宙星体来说是不够看的,哪怕只是太阳系内的行星也不会看的太清楚。

关于口径和分辨率有一个简单的公式:

分辨率=1.22*波长/口径

我们可以用这个公式来算一下,观察行星上一些细微的东西需要多大口径的望远镜。

假如要观察火星上一个两米长的物体:

分辨率=长度/距离=1.22*波长/口径

口径=1.22*波长*距离/长度

波长是指人眼可见光波,就是红橙黄绿青蓝紫,一般波长范围在400nm-760nm之间,为了使望远镜口径能更小一点,我们按照最短的400nm计算。

距离是地球到火星的距离,最近大概5500万千米,最远则超过了4亿千米,我们也按照最近的路程来计算。

长度指的是两米的物体,那么:

口径=1.22*4*10^-7*5.5*10^10/2

口径=26840/2=13420米

换算一下大概是27公里,要跑上大半个马拉松,如果是在城市里开车,差不多也需要半小时。换成高度的话,更是达到了民航客机的飞行高度。

这么大的口径,以人类目前的技术来看是有点难度的,更何况这也只是看到火星,如果去看木星就又差了点意思。

当然,如果以哈勃现在的2.4米口径去观察太阳系行星,虽然不至于太清楚,但也比地球上同类望远镜要强上不少,毕竟少了大气层的气流干扰,接受的光线只会受限于星光的衍射,达到了能观测的极限。

而之所以不用哈勃去观测行星,有两个方面的原因。

一是哈勃有自己的任务。大部分望远镜都是待在地面上,能上天的不多,而哈勃作为少数能飞出地球的望远镜,自然不能只是观察几个星球那么简单。

哈勃的任务是对宇宙做更深入的研究,通过观测更遥远的星系来追寻宇宙的本源。对于地面的望远镜来说,因为会受制于大气层,会被天气影响,无法长时间的曝光,所以在远距离观测上哈勃有无可比拟的优势。

不过由于一些星系极其遥远,所以哈勃经常会对着某一个区域保持着固定角度,并且会持续很长时间,以积累更多光线。

比如在2003年9月24日至2004年1月16日,哈勃对着天炉座拍摄了113天,累积了足够的数据,才拍出了著名的超级深空场,为人类展现出了大概130亿年前10000个星系的面貌。

所以哈勃其实挺忙的,一般太阳系内的星球都不太值得去拍,除非是1994年的彗木相撞那样的大事件。

不过不用哈勃观测行星还有另一个原因。

因为现在随着科技的提升,人类已经往宇宙中发射了不少探测器,除了旅行者,其它的都是在太阳系内执行着任务。

这些探测器上也都是携带着各种影像设备,并且由于距离上比哈勃更近,所以在拍摄效果上,哈勃反而不如一些普通的拍摄设备。

比如哈勃和朱诺号探测器拍下的木星对比:

哈勃从1990年发射到现在已经有30年时间,拍下了宇宙中不少的神秘往事,给人类对宇宙的探索立下不小功劳,不过它的年龄确实不小了,这些年里已经几次传出要退役的消息,恐怕离退休真的不远了,希望它能有个安好的晚年吧!

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