為什麼哈勃能看到100億光年外的星系,但卻看不清冥王星?

2020-12-05 火星科普

本文參加百家號 #科學了不起# 系列徵文賽。

於1990年飛上太空的哈勃太空望遠鏡已經繞著地球飛了將近30年。由於遠離地球大氣的幹擾,哈勃捕捉到了一系列令人嘆為觀止的宇宙景象,讓我們窺探到了深邃的宇宙。

哈勃觀測到了宇宙「邊緣」的星系,那些遙遠星系發出的光到達地球時已經非常微弱,亮度只有人眼所能看到的100億分之一。哈勃發現的最遠星系是134億光年外的GN-z11(目前固有距離320億光年),這幾乎是哈勃所能觀測到的最遠極限,也接近了所能觀測到的宇宙極限。

GN-z11星系

然而,儘管哈勃擁有無與倫比的觀測能力,但它卻無法看清太陽系中的遙遠天體,例如,這是哈勃眼中的冥王星:

哈勃無法看清冥王星表面的任何細節,冥王星在哈勃眼中只是幾個像素點。直到新地平線號探測器在2015年飛掠冥王星時,我們才真正首次看清了冥王星的表面:

雖然海王星比冥王星更靠近地球,而且尺寸也要大得多,但哈勃看到的海王星和旅行者2號看到的海王星相差非常大:

既然哈勃有能力觀測到134億光年外的星系,那麼,為什麼無法看清太陽系中的天體呢?

與遙遠的河外星系相比,太陽系中的天體確實近在咫尺,海王星與地球的距離大約為43.5億公裡,相當於4光時(光在真空中前進4小時的距離),冥王星的最遠距離也只有7光時,這與134億光年相比天差地別。然而,距離更近不一定更容易看到以及看清楚,天體自身的大小是另一個決定因素。

天體看起來有多大,與其距離和自身大小兩個因素有關。月球看起來很大,是因為它離地球非常近。而夜空中的恆星看起來遠小於月球,是因為它們離地球非常遙遠,那些恆星其實大都比太陽還要大。這就好比我們看不到100米外的一隻螞蟻,因為螞蟻本身太小了。為了描述天體看起來有多大,需要引入視直徑的概念,如下圖所示:

對於一個光學系統,都存在角解析度極限,這個極限取決於通光口徑。通光口徑越大,光學系統的角解析度越高,能夠分辨出越小的天體。

一旦天體的視直徑太小,細節將無法分辨出來,看起來只是一個點。人的肉眼只能分辨出視直徑大於1角分的物體,土星、木星的視直徑都太小,人眼看不出細節,土星和木星看起來都是亮點。如果通過口徑150毫米的天文望遠鏡,將會看到木星的條紋和大紅斑,以及土星光環。

哈勃的口徑為2.4米,但它的解析度還不夠高,不足以分辨出冥王星的細節,因為冥王星的視直徑太小了。儘管冥王星在太陽系中,但它的實際直徑還不到2400公裡,視直徑非常小。同樣地,太陽系外的一些行星尺寸非常龐大,甚至超過了木星,但哈勃也是無法看清它們。

另一方面,雖然河外星系非常遙遠,但它們的直徑動輒數萬光年,所以視直徑並不小。只要通過長時間曝光來收集到遙遠星系的光,哈勃完全可以看到上百億光年外的星系。

相關焦點

  • 哈勃望遠鏡能拍攝134億光年的星系,為什麼看不清冥王星?
    2019年,哈勃就公布了迄今最完整最全面的宇宙圖譜,上面是哈勃16年內拍攝到的7500張星空照片,包含了265000個星系,有些星系已達133億歲「高齡」。然而,儘管哈勃太空望遠鏡強大的觀測力給人類帶來了許多突破性發現,但它卻無法觀測到近在太陽系內的冥王星。這就是冥王星最詳細的圖嗎?
  • 哈勃望遠鏡能拍攝134億光年的星系,為什麼看不清冥王星?
    2019年,哈勃就公布了迄今最完整最全面的宇宙圖譜,上面是哈勃16年內拍攝到的7500張星空照片,包含了265000個星系,有些星系已達133億歲「高齡」。在哈勃傳回的照片中,冥王星的圖像只是幾個黃色的像素點,畫面模糊,仿佛高度近視患者摘下眼鏡時,眼前呈現的景象。哈勃既然能看到百億光年外的東西,沒有道理看不清「近在咫尺」的冥王星。為什麼我們無法透過哈勃望遠鏡,看清冥王星的真面目呢?
  • 哈勃能看到130多億光年外的行星,為何卻看不清冥王星?
    在相關理論逐漸完善後,科學家們還進一步規範了天體劃分的標準,曾經作為太陽系九大行星之一的冥王星就不幸被排除在外。直到今天,「旅行者」系列成功飛出了太陽系,人們也沒有徹底見識到冥王星的真面目。由於距離遙遠,載人航天短時間內不可能到達,所以只能藉助發達的太空望遠鏡進行觀測。然而,在此過程中有科學家發現,即便是強大的哈勃太空望遠鏡,也無法看清冥王星,不僅引起人們的廣泛關注。
  • 為何哈勃望遠鏡能看到100多億光年外的星系?卻看不到眼前行星?
    文/行走天涯為何哈勃望遠鏡能看到100多億光年外的星系?卻看不到眼前行星?作為目前世界上觀測距離最遠的天文望遠鏡,哈勃望遠鏡一直是當之無愧的第一,據哈勃望遠鏡面世以來,也已經幫助人類觀測到了很多距離,地球至少有著百億光年之外的星系,也讓人類真正認識到了宇宙究竟有多麼的浩瀚,這也是為何人類一直堅信在宇宙中肯定存在著和地球一樣的文明,哪怕目前處在的階段是不同的,他們很可能比人類要先進百倍
  • 望遠鏡能看到數億光年外的天體,為什麼看不清一光年外行星表面?
    這其實很容易理解,其實根本不需要望遠鏡,我們肉眼都能看到不止幾百萬光年外的天體,迄今為止肉眼所能看到的最遙遠的天體是超級伽瑪射線暴GRB 080319B,它刷新了肉眼所能看到天體距離的記錄:75億光年!
  • 為什麼哈勃能看到幾十億光年外,但卻看不到附近有沒有外星生命?
    天文望遠鏡可以看到幾十億光年外的星系,為什麼看不到一個星球的表面?在討論這個話題之前我們得先來簡單了解下看見與看清這兩個概念,可能在大家都沒在意過兩者的區別,但即使在生活日常中都有明顯的區別,比如我們能看見幾百米甚至千米以外的人,但很抱歉如果不是特殊構造的眼睛的話,肯定是看不清這人長什麼樣!
  • 哈勃望遠鏡能看到百億光年外的天體,為何還發現不了外星文明?
    望遠鏡的能力,在於能看得有多清楚,而不是看得有多遠;如果說看得遠的話,人眼還能看到254萬光年外的仙女星系呢!哈勃望遠鏡於1990年升空,在二十多年的時間裡,哈勃望遠鏡經過多次維修和升級,大大擴展了人類認識宇宙的視野,還觀測到100多億光年外的天體。對於望遠鏡的能力,大部分人會覺得「看得遠」,才是衡量望遠鏡能力的標準,其實這是片面的,除瞭望得遠,看得清才是望遠鏡最重要的衡量標準。
  • 為什麼哈勃能看到幾百億光年外,卻看不到我們附近星球的城市?
    科學家介紹到,哈勃望遠鏡目前能觀測到的最遠距離是465億光年。通過對於這個極限位置星系的紅移分析,望遠鏡證實了很久以前就被宇宙大爆炸理論預言的一個可能:由於宇宙直到現在也處於膨脹狀態中,所以距離地球越遠的星系,它們遠離地球而去的速度就越快,當這個速度達到光速的時候,它所對應的距離也就是地球上的望遠鏡能夠觀測的極限距離,而這個距離便是465億光年。
  • 哈勃才用了29年,為什麼它能看到100億年前的天體,超光速了嗎?
    哈勃在距離地表540公裡的軌道上繞著地球旋轉,由於太空中沒有地球大氣的幹擾,哈勃可以看到極為深邃的宇宙。哈勃看到了124億年前的超新星——SN 1000+0216,它所在的星系目前距離地球230億光年。哈勃還看到了131億年前的活躍超大質量黑洞——ULAS J1342+0928(類星體),它目前距離地球294億光年。
  • 108億光年外,哈勃發現星系「大戰」的遺蹟,一星系被打出巨洞
    本文所講的正是這其中之一,即:在108億光年外,哈勃發現星系「大戰」的遺蹟,一星系被打出巨洞哈勃的觀測數據顯示,「R5519」星系距離我們大約有108億光年,這是一個比我們銀河系小得多的星系,其直徑約為4.2萬光年,而引人注目的是,在結合了夏威夷WM凱克天文臺收集的光譜數據對其進行深入研究後,天文學家發現「R5519」星系的恆星絕大部分都分布在外圍區域,而在它的中心區域卻是一個直徑約為1.7萬光年的巨洞,在這裡幾乎沒有什麼恆星,整個星系呈現出非常罕見的「甜甜圈」形狀。
  • 為何「哈勃」能看到百億光年外,卻不用來尋找鄰近星球外星人?
    465億光年。所以開始距離地球越遠的星系,它們遠離地球的速度也就越快,當這個膨脹速度達到光速時,它所對應的距離也就是地球上的望遠鏡能夠觀測的極限距離,而這個距離便是465億光年。看到這相信有的朋友有些不理解,為什麼相對論說光速是宇宙中最快的速度,而星系的移動速度也能達到甚至超越光速呢?難道相對論錯了嗎?
  • 哈勃望遠鏡既然可以探測百億光年的地方,為何看不清火星和月球?
    而人類的技術在已經達不到探測更遠地方的情況下,人類只能依靠在天文望遠鏡上,然而,在人類現如今所設立的探測宇宙望遠鏡當中,最著名的應該就是哈勃望遠鏡了。相信大家也都知道,哈勃望遠鏡是人類有史以來最強大的天文望遠鏡,哈勃望遠鏡是上個世紀90年代,美國航天局向太空發射一顆專門用來探測宇宙深空的望遠鏡,位於地球上方500多公裡的高空之中。在這個時候有人也就產生了疑惑,既然地球上可以假設這麼多的望遠鏡,為什麼美國航天局還要多此一舉將望遠鏡架設到太空去呢?
  • 哈勃望遠鏡能看那麼遠, 那為什麼不直接這樣觀察星球?
    自1990年4月24日升空以來,哈勃望遠鏡已經拍攝了無數張迷人的星空圖片,在2016年3月4日,哈勃還拍到了134億光年之外的古老星系,刷新了人類觀測距離的記錄。哈勃望遠鏡能看那麼遠,那直接這樣觀察星球怎麼樣?
  • 從距離地球2241光年外的星球看地球,能看到秦始皇本人嗎?
    哈勃望遠鏡最近發現了108億光年以外的兩個星系疑似「星球大戰」之後的證據,108億光年的距離代表這場「星系侵略」至少發生在108億年之前,換句話說,哈勃望遠鏡看到的是108億年前的景象!既然在地球上能看到108億年之前發生的宇宙中的星系圖像,那反其道而行之,如果在2241光年以外的星球看地球,看到的豈不是2241年以前的地球!?
  • 哈勃望遠鏡已看到134億光年,宇宙究竟有多大?它為什麼那麼大?
    在2016年3月,美國國家航空航天局(NASA)發布了由哈勃空間望遠鏡拍攝到的一個遙遠星系的星光圖片,這個星系極其遙遠,由於宇宙膨脹的緣故,它正在高速遠離我們,根據光譜分析,測量到其紅移量高達11.1,按照目前測定的哈勃常數計算,它距離我們約有134億光年,這意味著,它的光是在134億年前發出的,在宇宙空間傳播了134億年後抵達地球並被哈勃空間望遠鏡捕獲。
  • 哈勃觀測到108億光年外兩星系,疑「星球大戰」後,留下痕跡
    哈勃望遠鏡看到了108億光年外兩個星系疑似「星球大戰」過後留下的痕跡,1990年發射成功的哈勃望遠鏡再一次讓人類仰觀宇宙之大,俯察品類之盛!為什麼說哈勃望遠鏡看到的是兩個星系在「星球大戰」?因為傳統情況下,一個正常的星系分布特點是,中間部分恆星數量多,周圍距離中心越遠數量越少,而這一次發現的距離地球108億光年的「R5519」星系中間居然是一個半徑為8.5萬光年的空洞!不僅如此,該星系恆星形成速度是銀河系的將近五十倍,這兩個證據都表明,曾經有另外一個星系以極快的速度撞擊過該星系。
  • 哈勃望遠鏡能看到百億光年外,那它看到的月球和火星有多清晰?
    強大的哈勃不僅可以觀測到幾億光年外的星系,甚至還能觀測到一百多億光年外的遙遠星系。然而,如果用哈勃來觀測月球或者火星,並不能看到極為清晰的細節,要不然就不用發射探測器去探測月球和火星了(當然月球有特殊原因)。 哈勃太空望遠鏡能夠觀測到遙遠的星系,但卻不能看清地球附近天體的表面細節,其原因在於星系的尺寸遠遠大於像月球、火星這樣的天體。
  • 能看到幾十億光年外的宇宙,為什麼看不到地球上過去的前一秒?
    為什麼我們能觀測到幾十億年外的星系?很多朋友認為我們的眼光是超光速的,他們的感覺也很暴力直接,因為抬頭就能看的可能就是幾萬甚至數百萬光年外的星系,比如我們肉眼能看到的M31就位於254萬光年,但其實這個理解有很大的偏差,來個很簡單的比方就能了解這個定義存在的巨大問題:
  • 哈勃望遠鏡能觀測多遠?假如能看到460億光年外就能看到138億年前
    #科學了不起#1927年,天文學家提出「宇宙大爆炸」理論,距今不到100年的時間,逐漸深入人心。人類似乎已經很了解宇宙了,但其實還有很多問題沒有答案。大爆炸後5000萬到1億年時,宇宙出現了第一縷光,那時誕生了最古老的恆星。在大爆炸後的1.8至2.6億年時,恆星數量多起來,出現了一些星系。宇宙年齡只有5億年時,雖然有了恆星有了光,但其實跟現在一點都不像,因為嚴重缺乏重元素,所以無法形成像地球這樣的巖石行星。後來,在恆星核聚變的幫助下,重元素一點點多起來,5億年時僅有0.01%重元素,10億年時就有了0.1%重元素。
  • 哈勃望遠鏡已看到134億光年,宇宙究竟有多大?為什麼那麼大?
    ,根據光譜分析,測量到其紅移量高達11.1,按照目前測定的哈勃常數計算,它距離我們約有134億光年,這意味著,它的光是在134億年前發出的,在宇宙空間傳播了134億年後抵達地球並被哈勃空間望遠鏡捕獲。這是由於從宇宙大爆炸之初就持續至今的宇宙膨脹,導致宇宙的大部分星系都正以超越光速的速度遠離我們,我們將永遠無法看到它們所發出的光了。