望遠鏡可拍攝到光年之外的星系,卻無法清晰地拍攝一顆系外行星?

2020-12-26 悟空科學世界

為什麼現代望遠鏡可以拍攝到數百萬光年之外星系的照片,卻無法拍攝到一顆系外行星的清晰照片呢?

這是一個有趣的問題。現在就讓我們一起來解決它吧。以下有兩個主要原因。

亮度

恆星是光的來源,這是恆星和行星的區別之一。行星本身並不發光,只是反射恆星的光罷了。

因此,行星的亮度總是比恆星暗得多。換句話說,最冷、最微弱的恆星,其亮度甚至比具有最高反照率的行星高出許多數量級(反射係數)。

為了讓光學望遠鏡「看到」一個暗淡的物體,就有必要讓物體發射或反射儘可能多的光子落入到望遠鏡的透鏡中。這就是為什麼望遠鏡要用更大的光圈(透鏡的直徑)來做每件事的原因。在這種情況下,單位面積的光子數與被觀測物體的距離的平方成反比。

我們知道,星系是由數千億、甚至是數萬億顆恆星組成的,而且每一顆恆星都能發射出大量的光子。由於系外行星是繞著恆星旋轉的,所以它只能反射恆星的一小部分光輝。

尺寸

提出這個問題的人可能沒有意識到這些星系與行星相比,它們到底有多大呢。例如,我們銀河系的直徑是105700光年,也就是說,大約為9.99 × 10km。木星是太陽系中最大的行星,其直徑約為1.4×10km。也就是說,我們的星系是木星的7.13×10倍。

在這裡,我可以將這個數字寫完整,即: 713,000,000,000,000。所以,需要許多這樣的「木星」彼此靠得很近才能形成一條銀河系的長度線。

如果我們利用在學校裡學到的幾何公式,就可以很容易計算出天空中任何物體的角度大小。當然,要做到這一點,你需要在腦海中想像一個等腰三角形,其中一個頂點是太陽,而另外兩個頂點則是你想要觀察的物體的相對邊緣。

從這裡,角度大小δ就很容易計算出,即:δ = 2 arctan (d / 2D),其中,d是被觀測物體的直徑,D是到目標物體的距離。

例如,如果我們的木星位於比鄰星附近,那麼它的角大小將是 3.48 × 10弧度或0.0007弧秒。

但是,仙女座星系位於離太陽250萬光年的距離上,跨度22萬光年的角大小為0.0867弧度,即:接近3度(如果仙女座星系垂直於視覺光線旋轉,則全部為5度),這是月球平均角大小的6倍。不幸的是,我們在夜空中看不到它,因為它輻射的光度遠低於人眼的靈敏度閾值。

總而言之,望遠鏡無法拍攝到高質量的系外行星圖像,是因為這些行星太小了,且不能發射光,只能反射一小部分恆星的光。但是,星系正好相反,它們本身就非常巨大,並能發射出大量的光,因此,儘管距離很遠,但望遠鏡仍能拍攝到非常好的星系圖像。

最後,你可以做一個比較,在岸上,你可以很容易地看到距離你5公裡遠的燈塔,而在距離你5米的黑暗表面上的蒼蠅,你卻幾乎無法辨認。

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