大名鼎鼎的哈勃望遠鏡，為什麼連火星也看不清楚？

地球的大氣層是我們人類的生存之本，但它也限制了我們觀測宇宙的能力，為了擺脫這一困境，1990年4月24日，大名鼎鼎的哈勃望遠鏡發射升空，在隨後的日子裡，哈勃望遠鏡不負眾望，為我們帶來了無數令人著迷的星空圖片，極大地提升了人類對宇宙的認知。特別是2019年5月公布的「哈勃遺產場」 (HLF)，它包含了大約26.5萬個星系，其中最古老的星系目前與我們的距離已經高達400多億光年。

哈勃望遠鏡如此強大的觀測能力著實讓人嘆為觀止，按理來講，以這樣的實力來觀測太陽系內的天體簡直就是「小菜一碟」，那事實果真如此嗎？

上圖為哈勃望遠鏡在火星最接近地球的時候所拍攝到的圖像，可以看到，這並不能算是一張清楚的圖片，數據顯示，這張圖片的解析度僅為13公裡，也就是說哈勃望遠鏡只能分辨火星上13公裡以上的物體，它根本就看不清楚火星。現在問題就來了，大名鼎鼎的哈勃望遠鏡，為什麼連火星也看不清楚？

哈勃望遠鏡能看到400多億光年外的星系，為何卻看不清楚火星？

在望遠鏡對目標物體的觀測的過程中，可以看成是目標物體被分為了若干個幾何點（可稱之為「物點」），理想情況下，一個物點發出的光線經望遠鏡捕捉後，就會生成一個精確的像點，就這樣一個物點對應一個像點，若干個像點就組成了目標物體的圖像。

然而由於衍射效應的存在，對應每一個物點，望遠鏡並不能生成一個精確的像點，而只能生成一塊像斑，這被稱為「艾裡斑」，假如兩個物點離得太近，它們對應的「艾裡斑」就會互相重疊從而變得難以分辨，因此望遠鏡是有一個分辨極限的，對於如何定義這個分辨極限，人們通常採用的是「瑞利判據」（具體如下圖所示）。

「瑞利判據」的相關公式為：最小分辨角θ= 1.22 x 波長/望遠鏡口徑，已知哈勃望遠鏡的口徑為2.4米，波長取可見光的平均波長500納米，將它們代入公式，我們就可以估算出哈勃望遠鏡的最小分辨角θ= 1.22 x （5 x 10^-7）/2.4 約等於 2.54 x 10^-7 rad（註：rad為弧度）。

在火星最接近地球的時候，兩者的距離約為 5460萬公裡，將其與哈勃望遠鏡的最小分辨角相乘，我們就得出了哈勃望遠鏡對應火星表面的最小分辨距離約為 13.88公裡，這與上面的火星圖片解析度基本相符。同樣的，木星離地球最近時的距離是 6.3 億公裡，那麼在這個時候哈勃望遠鏡在木星表面的最小分辨距離就約為160公裡，就是下圖這個樣子。

而離太陽最遠的行星——海王星就顯得「慘不忍睹」了，它是下圖這個樣子的。

那麼為什麼哈勃望遠鏡又能看到那些遙遠的星系呢？其實我們再來簡單估算一下就可以知道這個問題的答案了。

「NGC 1300」星系是位于波江座的一個棒旋星系，距離我們大約6100萬光年，將這個數據與哈勃望遠鏡的最小分辨角相乘，我們得出在這個距離上，哈勃望遠鏡的最小分辨距離約為15.494光年。這看上去似乎很誇張，但這與「NGC 1300」星系超過10萬光年的直徑來做對比，就一點都不誇張了。

經過簡單的計算，我們就可以知道以哈勃望遠鏡的解析度，在10萬光年的跨度上可以上生成6454個像素，要知道一臺普通的23寸寬屏顯示器的最高解析度也才 1920 x 1080，也就是說，我們需要24臺這樣的顯示器才能將這張圖像完整地顯示出來！

（上圖為哈勃望遠鏡拍攝到的「NGC 1300」星系）

雖然以上只是粗略的估算，但是我們還是可以清楚地看到，哈勃望遠鏡的解析度並不是想像中的那麼高，因此它看不清楚火星也在情理之中了，而哈勃望遠鏡之所以能看到那些遙遠的星系，原因是因為這些星系的尺寸實在是太大了。

順便講一下，平常我們所說的哈勃望遠鏡能看到400多億光年外的星系，其實是將宇宙膨脹的因素也算進去了的，事實上，哈勃望遠鏡現在接收到的歷史最久遠的光線來自於130多億年前，而那些發出這些光線的天體，在宇宙膨脹的驅動下，現在已經在距離我們400多億光年之外了。

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