哈勃望遠鏡可以看到93億光年的星星,為啥看不清月球上一個人?

天空之城 2022/04/21 檢舉 我要評論

有人問,現代望遠鏡能看到月球上一個人嗎?我說不能,如果能看到月球上的人,就能夠看到上世紀美國阿波羅登月任務留下的遺跡了,也就不會有許多關于美國登月是真是假的爭議了。

那麼為什麼望遠鏡能夠看到93億光年的一顆星星,卻看不到這麼近的月球上一個人呢?要知道月球距離我們平均只有38.4萬千米,只是約93億光年的23億分之一,如果將一個1.6米的人放大23億倍的話,就有368萬千米了,不要說看見,壓都要把地球壓扁了。

即便按體積比例加大,一個1.6米正常體型的人,按人體BMI指數應該在60千克左右,人體密度和水差不多,60千克水體積為0.06立方米,增加23億倍則為1.38億立方米,根據球體積公式倒算,1.38億立方米就是一個直徑約為641米的球。

這麼大的球總能看到吧?也就是說,哈勃望遠鏡既然能看到93億光年的恒星,按理就應該能看到月球上一個人,為什麼看不到呢?我們一起來探討。

首先,說說哈勃望遠鏡是如何看到93億光年那顆星星的

哈勃望遠鏡是迄今最牛的光學空間望遠鏡,只有它才看到了這顆距離我們93億光年的恒星,事實上,哈勃望遠鏡看得最遠的天體是距離我們133.9億光年的GN-z11星系。由于星系很龐大,今天就不作為例子來說了。

其實,哈勃望遠鏡看到這顆遙遠距離的星星,并非直接觀測到,而是機緣巧合。這是一顆巨大的超藍巨星,是迄今為止人類看到的最遠恒星。之所以能看到它,是因為在人類視線與這顆恒星之間,正好有一個巨大星系團夾在中間充當了引力透鏡,放大了這顆恒星的成像。

這顆恒星編號為MACS J1149 + 2223 Lensed Star 1。其中的MACS J1149 + 2223,就是充當引力透鏡的巨大星系團編號;而Lensed則代表這顆恒星是通過引力透鏡發現的;Star 1表示此恒星是依靠引力透鏡發現的第一顆恒星。

科學家們把這顆恒星取了一個昵稱叫「伊卡洛斯」。這是一個希臘神話里的悲劇人物,為什麼以這樣一個悲劇性人物命名,不得而知。有興趣的朋友可以查閱資料,這里就不解釋了。

所謂引力透鏡是愛因斯坦廣義相對論的一個預言,愛翁認為,光線在重力場附近經過時,會像通過透鏡一樣產生彎曲,并將背景天體成像放大,從而讓人類觀測到更遠或透鏡后面的天體。這個預言早就被天文觀測所證實,并在研究暗物質、暗能量、[大尺度]上的引力和宇宙觀測等天文物理領域發揮著重要作用。

宇宙中,具有巨型黑洞的星系、星系團,暗物質團都有可能產生引力透鏡效應,它們夾在遙遠天體與人類視線之間,讓身后的天體產生放大效應。MACS J1149 + 2223星系團距離我們約50億光年,正好是夾在「伊卡洛斯」與我們的視線之間。

一般的引力透鏡只能放大后面鏡像50倍,這個巨大的引力透鏡將「伊卡洛斯」放大了2000倍!由此科學家們才得以看到這顆恒星。沒有這個巨大的引力透鏡,哈勃望遠鏡再牛也是不可能看到這顆恒星的。

按拉近2000倍計算,哈勃望遠鏡看到的這顆恒星就像在465萬年的距離。如果排除引力透鏡效應,即使像哈勃望遠鏡這就大牛空間望遠鏡,看到單顆恒星的能力也差不多只能在這個距離了。

這顆恒星是在宇宙大爆炸后45億年,在距離我們93億光年的地方發出光線的。由于宇宙在膨脹,這顆恒星現在與我們的距離已經有280億光年了。按照恒星演化規律,像這麼巨大的恒星壽命不會超過1000萬年,因此,它應該早就消亡了,我們看到的并非它現在的樣子,只是它93億年前的樣子。

再好的望遠鏡看到的恒星都基本是一個亮點

科學家用望遠鏡看到的絕大多數恒星,都無法看清其本來面目,都只能看到一個亮點,包括距離最近的恒星比鄰星,只有4.22光年,也只能看到一個亮點。這是因為恒星的體積與距離之比太大了,即便通過再好的望遠鏡,到達我們眼中也無法達到最小分辨率。

只有太陽和參宿四等極少恒星可以看到一點模模糊糊的圓面,這是因為這幾顆恒星太近或太大而已。參宿四之所以能夠看到一個模糊的圓面,是因為其體積是太陽的7億多倍,亮度也很大,是太陽的9到15萬倍,且距離不算太遠。

因此,即便最大的望遠鏡,我們看到的恒星基本都不是恒星表面的樣子,只是看到它們發出來的光。因為人眼是感光的,只要有幾個光子到達人的視網膜,就能夠看到光亮,但不一定能夠看清這個發光物體的樣子。

比如一只螢火蟲距離我們100米,即使是白天,人眼也無法看到;但它晚上發出閃光,人們在很遠就能夠發現,但這并不等于看清了螢火蟲的樣子。觀察恒星也是這樣,看到的只是恒星發出的光,而不是恒星的樣子。

這是因為人眼看物體必須有一個最小分辨角,就是物體到達視網膜必須在最小分辨角以上,否則就無法區分。人眼的分辨角在正常亮度下,一般為1′(1角分),就是到達視網膜的角度至少有1′左右,才能夠分辨出這個物體來。

望遠鏡也有一個最小分辨角,其分辨能力應符合瑞利判據公式:θ0=1.22λ/D,即最小分辨角θ0等于1.22乘以光的波長λ除以望遠鏡的口徑D。也就是說,口徑越大的望遠鏡,分辨率就越高,看得就越遠。

而光學望遠鏡的口徑越大意味著透鏡越大,就越難做,因為越大的透鏡越難控制形變,因此望遠鏡的最小分辨率是有極限的。哈勃望遠鏡主鏡直徑為2.4米,可見光的波長在380~760nm之間,我們取一個中間值為570nm,也就是5.7*10^-7m。

將這些數據代入上述公式計算,哈勃望遠鏡的最小分辨率約為2.9*10^-7rad(弧度),1弧度約為206264.8角秒,因此哈勃望遠鏡的分辨率約為0.059角秒。

這樣,月球上多大物體才能被哈勃望遠鏡分辨呢?

月球與地球的平均距離為34.8萬千米,用哈勃望遠鏡的最小分辨率2.9*10^-7rad乘以距離38.4萬千米,得到能看到最小物體直徑或長度需要達到111.36米。因此,1個1.6米的人即便躺在月球上,到達哈勃望遠鏡視界里也只有0.00085角秒,是根本無法分辨的。

而且在月球對著地球的一面,一個人站在那里只有頭肩部這麼大范圍對著地球,就更無法看到了。那麼要多大口徑的望遠鏡才能夠看到月球上一個躺著的人呢?如果觀測570nm波段的光,根據公式反算至少主鏡口徑要達到167米以上。

要做出這麼巨大的光學鏡片且不變形,目前人類還沒有這個能力。而那些巨大的射電和射線望遠鏡,雖然口徑很大,但只能觀察射電或射線源,無法觀測一個普通人。

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