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哈勃望遠鏡這麼牛,為什麼不用它來觀測行星表面?


天文在線問:為什麼哈勃望遠鏡能夠探測到我們宇宙中很遠很遠的圖像,我們卻不用它來觀察我們行星的表面,而是將許多特殊任務太空飛行器和旅行者號送到...

- 2019年6月05日09時00分
- 科學文摘 / 天文在線

天文在線

問:為什麼哈勃望遠鏡能夠探測到我們宇宙中很遠很遠的圖像,我們卻不用它來觀察我們行星的表面,而是將許多特殊任務太空飛行器和旅行者號送到不同的行星?

答:解析度和外觀尺寸。

美國國家航空航天局/歐洲航天局哈勃空間望遠鏡的角解析度約為角秒的1/20。如果你覺得人眼的解析度能達到約1角分(60角秒=1角分),那就太棒了。這個解析度足以為我們提供令人驚嘆的帶內行星圖像,如火星、木星和土星。


圖片來源:美國國家航空航天局/歐洲航天局,J·貝爾(康奈爾大學)和M·沃爾夫(SSI)

八年來,利用火星最為接近地球的優勢,天文學家已使用哈勃望遠鏡獲得了空間天文台對火星這顆紅色星球最清晰的圖像。1999年4月27日至5月6日,當火星距離地球8700萬公里時,哈勃望遠鏡抓拍到了這些照片。從這個距離,望遠鏡可以觀測到的火星特徵只有19千米寬。

圖片來源:美國國家航空航天局,歐洲航天局和A. 西蒙(戈達德航天中心)

這張木星的照片拍攝於這顆行星距離地球6.7億公里時。美國國家航空航天局/歐洲航天局哈勃望遠鏡揭開了木星雲層錯綜複雜、細緻入微的美,雲層呈條帶狀分布在不同的緯度。這些條帶是由不同緯度沿不同方向流動的空氣產生的。顏色較淺的區域稱作區,是空氣上升的高壓區域。顏色較深的低壓區域稱作帶,空氣下沉。通常情況下,這些相反的由東向西和由西向東的氣流相互作用時,風暴天氣會隨之出現。這顆行星的「商標」,即大紅斑,是一個長壽的風暴,其直徑與地球直徑相仿。更小的風暴呈現為白色或棕色的橢圓形。這些風暴可以持續幾個小時,或延續幾個世紀。

圖片來源:美國國家航空航天局,歐洲航天局,A. 西蒙(戈達德航天中心),OPAL團隊和J·德巴奎勒(空間望遠鏡研究所)


這幅合成圖片由美國國家航空航天局/歐洲航天局哈勃望遠鏡於2018年6月6日拍攝。從圖片中可以看到土星這顆有環行星及其62顆具名衛星中的六顆。自左向右,圖中所見的衛星分別是土衛四、土衛二、土衛三、土衛十、土衛十一和土衛一。

圖片來源:美國國家航空航天局、歐洲航天局

與太陽系中的行星相比,哈勃望遠鏡在深空中觀測的物體是巨大的,不僅在於它們的真實大小,還在於它們的外觀大小。木星在夜空中的直徑約為60角秒(取決於它相對地球的位置)。梅西葉100號星雲的中心部分,如下所示,直徑已達到2.4角分!

光照射到物體邊緣會發生衍射現象。在A圖和B圖中,我們看到衍射現象在透鏡與鏡子中如何發生,在C圖中,我們看到干涉的波如何相互增強(紅色)或減弱(藍色)。在D圖中,我們看到一幅絕對完美的恆星圖像。天文學家看到D圖一定會非常高興,因為這意味著他的光學系統是完美的。

地球大氣也會帶來問題,但實際上我們現在可以消除大部分問題。光的衍射是基於光的波動性質。用蒙哥馬利·斯科特的話來說,「我將改變物理定律。」

我們可以使用某種螢幕或擋板來中止衍射嗎?請相信我,一直有這方面的嘗試。如果您成功了,請申請專利,然後乘坐航班飛往斯德哥爾摩領諾貝爾獎吧。

透鏡可以分辨細節到何程度(透鏡的解析度),其基本計算公式是,12秒除以以厘米為單位的孔徑(或5除以英寸為單位的孔徑)。
一角秒可以看到某個200,000個直徑距離外物體的外觀尺寸,即三英里的四分之一。

因此,直徑(最大)為1厘米的人眼,解析度為12角秒。這實際上遠遠小於——大約2-3角分,因為我們眼球的視錐細胞和視杆細胞數量有限。

一個典型的業餘望遠鏡,配有一個六英寸(15厘米)的鏡子,就可以一角秒的解析度辨識一點點物體。在400,000公里遠的月球上,這意味著它能看到的最小細節是兩公里寬。因此,你是看不到阿波羅旗幟的。

因此,如果建造直徑十米的望遠鏡,解析度為12/1000或0.0012角秒。這意味著,它可以看到其直徑1670萬倍的物體。如此便可以在月球上看到24米的跨度,卻仍不足以看到阿波羅旗幟。

因此,在5億英里外木星的衛星上,你可以看到30公里範圍內的物體。在十倍遠的冥王星上,你的可分辨距離是300公里。這些都有賴於正在開發中的最大的望遠鏡。

人馬座α星距離我們約40萬億公里。這意味著我們的超級望遠鏡可以看到250萬公里的範圍。這是太陽直徑的兩倍。儘管有了一個超級望遠鏡,許多星星看起來還只是亮點。


相比之下,新視野號的望遠鏡光圈約為8英寸(20厘米)。這是一個略高於平均水平的後院望遠鏡。它可以分辨0.6角秒。Teun Meerkel下列的照片展示了冥王星上766,000公里寬的細節。在那個距離,新視野號的望遠鏡可以分辨2公里多的範圍。這還不是來自冥王星最好的照片。地球超級望遠鏡可以在300公里範圍內取得相當大的進步。

我們甚至還未討論過像往下看火星極點的事情。要看到它,你必去親自去那裡。

間諜衛星基本上是俯視的空間望遠鏡,其孔徑為2米(200厘米),傾斜範圍,比如為500公里,其解析度,為0.06角秒。以500公里的距離,它可以分辨約地上15厘米(6英寸),很容易看到並識別武器。這就像是在一部電影中(筆者認為是秘密行動)出示拇指指紋嗎?不可能。

參考資料

1.WJ百科全書

2.天文學名詞

3. quora

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