这事儿不行,再贵的望远镜也不行
图片:Ryan Wick / CC BY
为什么哈勃望远镜无法拍出清晰的冥王星照片?
“如果你拍得不够好,那是因为你离得不够近。”——罗伯特.卡帕
大家这么多赞,我把最后选购望远镜的建议完善了许多,谨防被无良商家忽悠哦~
我觉得楼上的回答都没答道点子上。为什么无法看清呢?因为有一个很重要的东西存在,就是衍射极限。
在几何光学里,物体能严格、精确的成像。这是什么意思呢?就是比如在一个透镜(光学系统)前面放一个几何点,能成一个精确的几何点像(这里既可以是实像点也可以是虚像点)。然而,理想很丰满,现实很骨感。一个实际的光学系统的孔径(比如你的单反镜头的直径多大),是有限大小的,它不能收集物体发出的所有方向的平面波(这里把点物发出的球面波看成无数平面波的叠加),所以不能再成一个点像。此外,实际光学系统总是存在各种像差(球差,彗差),也会使最后的成像质量(变大、变形、变色)下降,虽然可以通过各种方法(比如消球差的透镜、反射镜等)减少像差对最后成像的影响,但是还是会比理论值更大。
一个几何点经过光学系统最后成的像,叫作艾利斑。两个艾利斑要是想要分开,要满足瑞利判据。具体示意如图(图是从光学书上扫描下来的,侵删),当两个艾利斑逐渐靠近,他们会变得越来越难以分辨,最后重合为一个艾利斑(什么?你说最右边的光斑是两个光斑组成的?那你真是火眼金睛啊)。
对于望远镜系统,两个点物若是想要被分辨,它们对光学系统的夹角满足公式:,其中
是光的波长,D是孔径。那么我们现在把哈勃望远镜的数据带进去估算一下好了。哈勃望远镜主镜直径 2.4 米,波长就取 500nm 好了(我才不会告诉你我是凭感觉的),就可以得到其最小分辨角为:2.5417*10^-7rad。冥王星的近日点距离是 29.66 天文单位,减去地球的 1 个天文单位。把地冥距离乘以我们得到的最小分辨角,就是对应于冥王星表面的最小分辨距离了,也就是1100km!!New Horizons 测得冥王星的直径是 2370km,那么也就是说,哈勃望远镜的能力,也就能分辨出冥王星上几个点,所以照片就很不清晰了。
对于题主说的星云照片,也可以用上面的知识来解答。举个栗子,猎户座星云 M42,离地球 1500 光年,其直径为 16 光年,相比之下张角非常大,哈勃也就能分辨相当多的细节(其实你用一个 100mm 口径的折射望远镜就能看到不少东西了哈哈)。
所以脱离物体的距离和大小谈分辨,都是耍!流!氓!
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你要是问我为什么费那么大劲去探测一个那么远那么小的矮行星,而且飞过去又不能回来?我想说,因为人类的好奇心(哎呀感觉好装逼)。这是一个飞行器的一小步,却是人类的一大步。
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说个题外话。
为什么哈勃望远镜那么牛逼?
因为它在大气层外面。大气层里的密度变化很剧烈,导致折射率不停变化,光线就会被偏折,这也就是为什么星星会眨眼。所以地面望远镜虽然大,但是它们的分辨能力却不及哈勃(但是天文学家们很努力的在高原沙漠里建天文台观测站还有各种牛逼的方法减少扰动)。另外,哈勃可以全天候观测,不会受到白天黑夜和雨雪雾天的影响,这也是地面望远镜做不到的。
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一点小建议。
望远镜绝对是一分价钱一分货,十分价钱两份货的东西。所以不要相信商家所宣传的性价比,高倍率,夜视等等。前面的分析说明了,决定分辨率的主要参数是口径,由于衍射极限的存在,就算强行把倍率做高(或者直接忽悠),看到的像也不会比较低倍率的望远镜更清晰。
所以脱离了口径谈倍率就是耍流氓。
最近师兄们(为什么没有师妹啊哭)问我买个家用天文望远镜多少钱。先抛开别的不谈,我想说,大概上不封顶(其实不准确,可以封顶,只是顶比较高)。
我从小喜爱天文,现在的专业是光学,所以比较喜欢望远镜啊相机这类东西。这么多年来,每次提及望远镜,99.99%的对话都是这个情景:
——“你的 / 某个天文台的 / 哈勃望远镜能看多远?”。
——而我一般都会反问一句:“你觉得你的眼睛能看多远?”
其实望远镜并不是让你看得更远,而是让你看得更清,看得更暗。望远镜能大大提升你所能看到物体细节(不是叫你去偷窥,会被打的哦),并且能让你看见更暗的东西(收集光的能力比你的眼睛更强)。【我一定要纠正这个不准确的说法,哪怕再说一万遍】。
那么在选购天文望远镜之前,首先不要抱有幻想!不要抱有幻想!不要抱有幻想!你不可能拍的比哈勃望远镜还好,你连哈勃的一百分之一都拍不出来!
如果你相信我上面说的,那么先考虑一下,这个望远镜给谁用(是给家里的小朋友,还是满足一下自己的好奇心,还是买给家里大孩子的礼物)?怎么用(纯目视观测,还是想拍天体照片)?在哪用(有能力经常去野外么)?
如果是给小朋友用的话,个人觉得一个双筒望远镜(或者两个,大人小孩一起看)也许更合适。因为小朋友的动手能力不强(破坏力不弱),使用天文望远镜这样比较巨大和精密的仪器,不太合适,就算有大人在,熊孩子也可能会把诸如目镜这样的小东西搞坏惹。一个质量良好的双筒望远镜对小朋友来说,可能是一个比较理性的选择,价格不贵,况且双筒还能旅游的时候用,一镜多得。
对于大人或者年龄偏大的孩子(初高中生以上级别的),天文望远镜就比双筒好些。相对于反射式望远镜,我更推荐折射式和折返式(一般来说折射式比较细长,成像不如折返式,价格较低;折返式比较粗短,成像较好,价格较贵),比较推荐赤道仪(跟踪星体方便,重量较大;地平仪重量相对轻,跟踪星体要两个轴)。如果你只需要目视观测,那么可以不购置电动跟踪的装置,直接手动调节就行了,如果你打算以后还接单反搞搞天文摄影,那么还是买个电跟装置好了(或者自己 DIY 做一个,很简单的)。个人不是很推荐那种纯电动跟踪的,感觉那种坏了整个镜子就是半废的状态。
然后,现在城市里的光污染很严重,要想执行天文观测最好到乡下去,至少也要去郊区,越黑的地方越好。所以如果有能力经常(比如开车)去乡下去野外,可以考虑口径稍大的镜子。
最后,天文望远镜的价格都不便宜,量力而为,买来之后小心爱护,防潮防锈。绝对绝对绝对不可以用望远镜直接看太阳。
发现这个小建议好像有点长……
最后,给大家推荐个星空模拟软件,Stellarium,挺不错的。
以上。
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