【科學科普】為什麼哈勃望遠鏡能看到134億光年外的星系,卻看不清冥王星?

天空之城 2021/01/27 檢舉 我要評論
 

哇!真的第一次見哎,知识不会,只是姿势不对;科学凡此种种,用人话讲才能听懂

文/天空之城

 

哈勃望遠鏡被人們譽為「人類天文史上最重要的科學儀器」,它的名字來自於著名的天文學家愛德溫·哈勃,自從1990年4月24日發射升空以來,它已經完成了高達140多萬次的觀測,其傳回的影像將浩瀚的宇宙真實地呈現在我們眼前,並不斷地刷新著我們對宇宙的認知。

哈勃望遠鏡能看多遠?

為了避免地球大氣層的干擾,哈勃望遠鏡被部署在距離地面大約575公里的軌道上,在這個高度,它可以在一個「與世隔絕」的環境中安靜地工作,從而比地面上所有的天文望遠鏡都看得更清晰,也看得更遠。

圖為天文學家於2016年3月3日通過用哈勃望遠鏡觀測到的「GN-z11」星系,觀測資料顯示,「GN-z11」位於大熊座方向,與我們之間的距離高達134億光年,這也是迄今為止哈勃望遠鏡所看到的最遙遠的星系。

哈勃望遠鏡拍攝到的冥王星是什麼樣子?

我們知道,1光年就是光在真空中前進1年的距離,換算下來大約為9.46萬億公里,而冥王星與我們之間的平均距離卻只有大約59億公里,與134億光年外的「GN-z11」星系相比,59億公里外的冥王星可以說是近在咫尺。據此我們似乎可以認為,哈勃望遠鏡應該能拍攝到非常清晰冥王星的圖像,然而實際情況卻並非如此。

圖為哈勃望遠鏡拍攝到冥王星,我們可以看到,在哈勃的鏡頭裡,冥王星顯得非常模糊,我們根本就看不清楚冥王星的細節。這就有點尷尬了,既然哈勃能看到134億光年外的星系,那它為何看不清59億公里外的冥王星?我們接著看。

為什麼哈勃望遠鏡能看到134億光年外的星系,卻看不清冥王星呢?

在理想的情況下,我們在一個光學成像系統面前放一個幾何點,那麼該系統就可以生成一個精確的幾何點像,然而這種情況在現實中卻是不存在的,因為光有波動性,所以當光通過小孔的時候就會發生衍射,在這種情況下,我們的光學成像系統只可以生成一個光斑,這被稱為「艾裡斑」。

如圖所示,如果兩個幾何點距離太近,那麼在光學成像系統裡對應生成的「艾裡斑」就將不可分辨,因此所有的光學成像系統都會存在一個分辨極限,通常來講,我們把望遠鏡能夠分辨出的最小角距稱為「最小分辨角」,這與入射光的波長和望遠鏡的口徑密切相關,可用公式「θ= 1.22 x 波長/望遠鏡口徑」來描述。

哈勃望遠鏡屬於光學望遠鏡,為方便計算,我們不妨將波長取值為500納米,已知哈勃望遠鏡的口徑為2.4米,通過上述公式我們可以計算出,哈勃望遠鏡的最小分辨角約為0.000000254rad(弧度),而這個計算結果與59億公里的乘積,就是哈勃望遠鏡對應於冥王星表面的最小分辨距離(平均值),通過計算後我們可以得出,這個值大約為1500公里。

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