为什么哈勃望远镜能看到134亿光年外的星系,却看不清冥王星?

哈勃望远镜被人们誉为“人类天文史上最重要的科学仪器”,它的名字来自于著名的天文学家埃德温·哈勃,自从1990年4月24日发射升空以来,它已经完成了高达140多万次的观测,其传回的影像将浩瀚的宇宙真实地呈现在我们眼前,并不断地刷新着我们对宇宙的认知。

哈勃望远镜能看多远?

为了避免地球大气层的干扰,哈勃望远镜被部署在距离地面大约575公里的轨道上,在这个高度,它可以在一个“与世隔绝”的环境中安静地工作,从而比地面上所有的天文望远镜都看得更清晰,也看得更远。

图为天文学家于2016年3月3日通过用哈勃望远镜观测到的“GN-z11”星系,观测数据显示,“GN-z11”位于大熊座方向,与我们之间的距离高达134亿光年,这也是迄今为止哈勃望远镜所看到的最遥远的星系。

哈勃望远镜拍摄到的冥王星是什么样子?

我们知道,1光年就是光在真空中前进1年的距离,换算下来大约为9.46万亿公里,而冥王星与我们之间的平均距离却只有大约59亿公里,与134亿光年外的“GN-z11”星系相比,59亿公里外的冥王星可以说是近在咫尺。据此我们似乎可以认为,哈勃望远镜应该能拍摄到非常清晰冥王星的图像,然而实际情况却并非如此。

图为哈勃望远镜拍摄到冥王星,我们可以看到,在哈勃的镜头里,冥王星显得非常模糊,我们根本就看不清楚冥王星的细节。这就有点尴尬了,既然哈勃能看到134亿光年外的星系,那它为何看不清59亿公里外的冥王星?我们接着看。

在理想的情况下,我们在一个光学成像系统面前放一个几何点,那么该系统就可以生成一个精确的几何点像,然而这种情况在现实中却是不存在的,因为光有波动性,所以当光通过小孔的时候就会发生衍射,在这种情况下,我们的光学成像系统只可以生成一个光斑,这被称为“艾里斑”。

如图所示,如果两个几何点距离太近,那么在光学成像系统里对应生成的“艾里斑”就将不可分辨,因此所有的光学成像系统都会存在一个分辨极限,通常来讲,我们把望远镜能够分辨出的最小角距称为“最小分辨角”,这与入射光的波长和望远镜的口径密切相关,可用公式“θ= 1.22 x 波长/望远镜口径”来描述。

哈勃望远镜属于光学望远镜,为方便计算,我们不妨将波长取值为500纳米,已知哈勃望远镜的口径为2.4米,通过上述公式我们可以计算出,哈勃望远镜的最小分辨角约为0.000000254rad(弧度),而这个计算结果与59亿公里的乘积,就是哈勃望远镜对应于冥王星表面的最小分辨距离(平均值),通过计算后我们可以得出,这个值大约为1500公里。

新视野号”飞掠冥王星

根据“新视野号”对冥王星的测量数据,冥王星的直径仅有2376.6(±1.6)公里,这就意味着,在哈勃望远镜的镜头里,冥王星也就只有几个点,当然就看不清冥王星了。那为什么哈勃望远镜又能看到位于134亿光年外的“GN-z11”星系呢?我们不妨再来算一算。

按照同样的方法,我们可以计算出哈勃望远镜对应134亿光年的最小分辨距离大约为3400光年,观测数据显示,“GN-z11”星系的直径约为银河系的25分之1,也就是大约4000光年,也就是说,“GN-z11”星系的直径比哈勃望远镜对应于134亿光年的最小分辨距离还要大一点,所以就可以被哈勃看到(虽然很模糊)。

简而言之,哈勃望远镜之所以看不清冥王星,是因为它的分辨率有限,而如果目标足够大,那么即使在134亿光年外它也可以看到。这就好像我们能够轻易地看到几公里外的高楼大厦,却看不清几米外的蚂蚁一样。

哈勃望远镜的“继任者”

哈勃望远镜的设计寿命原本只有15年,但它却已经运行了30余年了,现在的它已经是“老态龙钟”,估计很快就将与我们告别,而哈勃望远镜的“继任者”——詹姆斯·韦伯太空望远镜已经筹备多时,据悉该望远镜的口径可以达到6.5米。

按照计划,詹姆斯·韦伯太空望远镜最早将于2021年3月30日发射,届时它会被部署到太阳-地球引力场的第二拉格朗日点,轨道高度将达到150万公里,如果一切顺利,在不久的未来,它将代替哈勃望远镜帮助人类探索更加深邃的宇宙。

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