哈勃望遠鏡被人們譽為“人類天文史上最重要的科學儀器”,它的名字來自於著名的天文學家埃德温·哈勃,自從1990年4月24日發射升空以來,它已經完成了高達140多萬次的觀測,其傳回的影像將浩瀚的宇宙真實地呈現在我們眼前,並不斷地刷新着我們對宇宙的認知。
哈勃望遠鏡能看多遠?為了避免地球大氣層的干擾,哈勃望遠鏡被部署在距離地面大約575公里的軌道上,在這個高度,它可以在一個“與世隔絕”的環境中安靜地工作,從而比地面上所有的天文望遠鏡都看得更清晰,也看得更遠。
圖為天文學家於2016年3月3日通過用哈勃望遠鏡觀測到的“GN-z11”星系,觀測數據顯示,“GN-z11”位於大熊座方向,與我們之間的距離高達134億光年,這也是迄今為止哈勃望遠鏡所看到的最遙遠的星系。
哈勃望遠鏡拍攝到的冥王星是什麼樣子?我們知道,1光年就是光在真空中前進1年的距離,換算下來大約為9.46萬億公里,而冥王星與我們之間的平均距離卻只有大約59億公里,與134億光年外的“GN-z11”星系相比,59億公里外的冥王星可以説是近在咫尺。據此我們似乎可以認為,哈勃望遠鏡應該能拍攝到非常清晰冥王星的圖像,然而實際情況卻並非如此。
圖為哈勃望遠鏡拍攝到冥王星,我們可以看到,在哈勃的鏡頭裏,冥王星顯得非常模糊,我們根本就看不清楚冥王星的細節。這就有點尷尬了,既然哈勃能看到134億光年外的星系,那它為何看不清59億公里外的冥王星?我們接着看。
為什麼哈勃望遠鏡能看到134億光年外的星系,卻看不清冥王星呢?在理想的情況下,我們在一個光學成像系統面前放一個幾何點,那麼該系統就可以生成一個精確的幾何點像,然而這種情況在現實中卻是不存在的,因為光有波動性,所以當光通過小孔的時候就會發生衍射,在這種情況下,我們的光學成像系統只可以生成一個光斑,這被稱為“艾裏斑”。
如圖所示,如果兩個幾何點距離太近,那麼在光學成像系統裏對應生成的“艾裏斑”就將不可分辨,因此所有的光學成像系統都會存在一個分辨極限,通常來講,我們把望遠鏡能夠分辨出的最小角距稱為“最小分辨角”,這與入射光的波長和望遠鏡的口徑密切相關,可用公式“θ= 1.22 x 波長/望遠鏡口徑”來描述。
哈勃望遠鏡屬於光學望遠鏡,為方便計算,我們不妨將波長取值為500納米,已知哈勃望遠鏡的口徑為2.4米,通過上述公式我們可以計算出,哈勃望遠鏡的最小分辨角約為0.000000254rad(弧度),而這個計算結果與59億公里的乘積,就是哈勃望遠鏡對應於冥王星表面的最小分辨距離(平均值),通過計算後我們可以得出,這個值大約為1500公里。
(“新視野號”飛掠冥王星)
根據“新視野號”對冥王星的測量數據,冥王星的直徑僅有2376.6(±1.6)公里,這就意味着,在哈勃望遠鏡的鏡頭裏,冥王星也就只有幾個點,當然就看不清冥王星了。那為什麼哈勃望遠鏡又能看到位於134億光年外的“GN-z11”星系呢?我們不妨再來算一算。
按照同樣的方法,我們可以計算出哈勃望遠鏡對應134億光年的最小分辨距離大約為3400光年,觀測數據顯示,“GN-z11”星系的直徑約為銀河系的25分之1,也就是大約4000光年,也就是説,“GN-z11”星系的直徑比哈勃望遠鏡對應於134億光年的最小分辨距離還要大一點,所以就可以被哈勃看到(雖然很模糊)。
簡而言之,哈勃望遠鏡之所以看不清冥王星,是因為它的分辨率有限,而如果目標足夠大,那麼即使在134億光年外它也可以看到。這就好像我們能夠輕易地看到幾公里外的高樓大廈,卻看不清幾米外的螞蟻一樣。
哈勃望遠鏡的“繼任者”哈勃望遠鏡的設計壽命原本只有15年,但它卻已經運行了30餘年了,現在的它已經是“老態龍鍾”,估計很快就將與我們告別,而哈勃望遠鏡的“繼任者”——詹姆斯·韋伯太空望遠鏡已經籌備多時,據悉該望遠鏡的口徑可以達到6.5米。
按照計劃,詹姆斯·韋伯太空望遠鏡最早將於2021年3月30日發射,屆時它會被部署到太陽-地球引力場的第二拉格朗日點,軌道高度將達到150萬公里,如果一切順利,在不久的未來,它將代替哈勃望遠鏡幫助人類探索更加深邃的宇宙。