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既然韋伯望遠鏡能看到136億光年之外,那用它看火星會有多清晰?

韋伯望遠鏡于2021年12月25日發射升空,它被認為是迄今為止深空觀測能力最強的太空望遠鏡,其攜帶的觀測儀器能夠捕捉到136億年前從宇宙深處發來的光線,換句話來講就是,它能夠看到136億光年之外。

那麼問題就來了:既然韋伯望遠鏡能看到136億光年之外,那用它看火星會有多清晰呢?對此我們似乎可以認為,與136億光年的尺度相比,火星與地球的距離完全可以說是近在咫尺,以韋伯望遠鏡如此強大的觀測能力,應該可以看得非常清晰才對,那實際情況果真如此嗎?

其實早在2022年9月5日,韋伯望遠鏡就已經拍攝過火星了,然而它傳回的「火星照片」卻令人們大失所望,因為韋伯望遠鏡拍攝的「火星照片」可以說是模糊得一塌糊涂,實在跟「清晰」這個詞沒什麼關系。

(注:圖中的左側是根據以往的觀測數據給出的參考模型,右側才是韋伯望遠鏡實際拍攝的圖像)

能看到136億光年之外的韋伯望遠鏡,為什麼會拍攝出如此模糊的「火星照片」呢?是它的設備出現了故障嗎?當然不是,其實真正的原因是,韋伯望遠鏡觀測的是波長為600-28300納米的電磁波,這個范圍的電磁波只包括少數波長較長的可見光(如紅光和橙光),其他的全部都是紅外線。

為了盡可能地捕捉到來自宇宙深空的信息,韋伯望遠鏡對紅外線極為靈敏,但這樣就會出現一個問題,那就是如果紅外線過多,就會導致它出現一種被稱為「探測器飽和」(detector saturation)的現象,我們可以將其簡單地理解為,過多的紅外光會導致望遠鏡「失明」。

對于韋伯望遠鏡而言,來自火星的光線實在是太多了,因此在拍攝「火星照片」的時候,為了避免出現「探測器飽和」現象,技術人員不得不大幅降低曝光時間,并且只測量了韋伯望遠鏡所接收到的一少部分光線,正是因為如此,它拍攝到的「火星照片」才會「模糊得一塌糊涂」。

看到這里你可能會問了,為什麼韋伯望遠鏡基本上只觀測紅外線呢?這主要有以下三個原因。

一、相對于可見光來講,紅外線的波長更長,可以更容易地穿過宇宙空間中的氣體和塵埃,因此基于紅外線的觀測,就能夠看到那些被氣體和塵埃遮蔽的空間區域或者天體。

二、宇宙中除了那些閃亮的恒星之外,還存在著大量的低溫天體,比如說系外行星、棕矮星等等,而這些天體主要是在紅外線波段下釋放輻射。

三、韋伯望遠鏡肩負的重要使命之一,就是研究宇宙中最早出現的恒星以及星系,而由于宇宙的膨脹,那些遙遠的天體所發出的光線在傳播過程中,其波長就會不斷地變長,同時頻率也會持續地降低(這也被稱為「宇宙學紅移」),當它們抵達地球附近時,早已變成了紅外線。

相對而言,大名鼎鼎的哈勃望遠鏡更適合拍攝火星,因為它觀測的是波長為100-1000納米的電磁波,其中涵蓋了可見光的全部波段,不過哈勃望遠鏡看到的火星,其實也沒有想象中那麼清晰。

(圖為哈勃望遠鏡于2016年拍攝到的火星,可以看到,這張「火星照片」其實也比較模糊)

由于衍射效應的存在,當光學望遠鏡捕捉到一個物點發出的可見光時,并不能生成一個精確的「像點」,而只能生成一塊「像斑」,假如兩個「像斑」距離過近,它們就會發生重疊,進而無法分辨,因此光學望遠鏡是存在分辨極限的,這可以通過「瑞利判據」來進行描述。

「瑞利判據」的相關公式為「θ=1.22λ/D」,其中θ、λ、D分別代表望遠鏡的最小分辨角、光線的波長以及望遠鏡的口徑,已知哈勃望遠鏡的口徑為2.4米,可光見的波長可以取其平均值500納米,代入該公式可得,哈勃望遠鏡的最小分辨角大約為2.54 x 10^-7 rad(弧度)。

火星與地球的最近距離大約為5500萬公里,我們將其與哈勃望遠鏡的最小分辨角相乘,就可以得到,當火星距離地球最近時,哈勃望遠鏡拍攝火星的分辨率也只有大約14公里,所以它看到的火星其實也算不上清晰。

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