Почему телескоп Хаббл может создавать относительно детализированные снимки далеких галактик, но не может «разглядеть» Плутон02.07.2015 09:22

Предположительный вид Плутона

Задумывались ли вы когда-нибудь, почему космический телескоп Хаббл создает невероятно детализированные снимки галактик, находящихся от нас в миллионах световых лет, но не может сделать достаточно детализированный снимок Плутона и других планет в нашей солнечной системе?

Различие между снимками Плутона и галактики Андромеды
Минимальное расстояние от Плутона до Земли = 4.280.000.000 км (7,500,000,000 км при максимальном отдалении)

И максимальное качество снимков, которое может сделать Хаббл выглядит вот так:
Слева снимок Хаббла
Справа снимок космического аппарата «Новые Горизонты», который, был сделан им, после 9 летнего полета к Плутону в 2015 году, находившись на 4.260.000.000 км ближе к Плутону, чем к Земле и Хабблу, на момент снимка

…

Если вы не знаете, что такое «Новые Горизонты», вот короткое видео о миссии этого первооткрывателя —

А вот так выглядит снимок галактики Андромеды, которая в 4 313 207 570 раз дальше, чем Плутон
Расстояние от нее до Земли = ~ 18 921 056 800 000 000 000 км

скриншот из видео ниже

Посмотрите это короткое видео(откроется в этой же вкладке) чтобы более менее понять масштабы
Прямые ссылки на видео
4K Ultra HD
cdn.spacetelescope.org/archives/videos/ultra_hd/heic1502a.mp4
Full HD
cdn.spacetelescope.org/archives/videos/hd_1080p25_screen/heic1502a.mp4
HD & Apple TV Preview
cdn.spacetelescope.org/archives/videos/hd_and_apple/heic1502a.m4v

К сожалению вставить сюда самый детальный снимок Андромеды не получится, его размер 4,3 ГБ (нужно 600 HD дисплеев для того, чтобы отобразить его полностью) Но вы можете оценить качество снимка, увеличив и рассмотрев его, вот на этом сайте (Все большие светящиееся шарики на снимке — звезды нашей галактики, а тот триллион маленьких точек, которые видно при приближении — это звезды Андромеды)

Чтобы лучше понять масштабы
Свет (фотон) — самая быстрая частица во вселенной, ничто не может двигаться так же быстро как свет (на сколько нам известно), кроме самого пространства (как факт, мы уже знаем, что за сферой Хабблаwiki пространственно-временной континуум расширяется быстрее скорости света.
Для тех, кому интересно по-подробней об этом наглядно узнать, вот интересное видео на эту тему

И так:
1 световой годwiki = 9 460 528 400 000 км

Свет от Солнца до Земли долетит за ~ 8 минут (а до Плутона в 29–52 раза дольше т.е 4–7 ч)
Свет от Плутона до Земли долетит за ~ 4 часа (при ближайшем сближении с Землей)
А от Андромеды до Земли долетит за ~ 912 500 000 дней (2 500 000 световых лет)

И того, мы имеем: Плутон, находящийся от нас в 4 световых часах и Галактику Андромеды, находящуюся от нас в 21 900 000 000 световых часах это 2 500 000 млн световых лет или 18 921 056 800 000 000 000 км ¯\(ツ) /¯

Только подумайте- мы видим не галактику Андромеды, а то, что с ней происходило и как она выглядела 2 500 000 лет назад, за этот промежуток времени, пока к нам летел от нее свет, на тех не многих планетах в зоне обитаемостиwiki, в этой галактике, могла зародиться жизнь и дойти до определенного эволюционного этапа развития, и возможно несколько из тех видов, могли бы вполне развиться до нашего уровня либо превзойти его в десятки и сотни раз.
По скромным подсчетам, только в видимой вселенной минимум должно быть 4.2 — 5.3 триллиона экзо- планет в зоне обитаемости, а это значит, что есть не плохой шанс для поселения жизни на каком- то проценте из этих планет, и эволюционного процесса, достаточного по времени, для того, чтобы эволюционировать в более сложные жизненные формы, правда, вот вероятность, что эти жизненные формы будут похожими на людей, очень мала, измените всего один из параметров, например, уровень радиации на планете, и, уже эволюционный процессс пойдет с некоторым отличием от наших форм жизни на Земле, а этих параметров миллионы

И даже, если в галактке Андромеды, на какой — нибудь из планет могла зародиться жизнь и эволюционировать до хотя бы нашего уровня, и при условии, что они уже прослушивают вселенную на радиоволны, впервые они узнают о существовании нас минимум через 2 499 900 лет, т.к первые радиоволны, содержащие нашу историю и несущие в себе информацию о нашем существовании, были отправленны в космос около 100 лет назад, поэтому, вероятность узнать о внеземной жизни крайне мала, если конечно же более развитая цивилизация, все еще не научилась применять эффект мистера Мигеля Алькубьерреwiki и если у них при том будет желание найти нас, что мало вероятно, т.к если они уже настолько развиты, что имеют возможность управлять пространственно-временным континуумом, сами подумайте, будем ли мы для них чем- то интересным, настолько, чтобы у них появилось желание познакомится с нами, чтобы они вдруг захотели пожать руку «самим» людям. Максимум, что они сделают — изучат ответные реакции на среду и определенные факторы и особенности процессов взаимодействия среды на нас, как более глупого вида, как мы это делаем с лабораторными крысами.
«Как часто у вас возникает желание остановиться и начать диалог с червем ?, может вы конечно и останавливались, чтобы поговорить с ним, но вы ведь не ждали, что он вам ответит?» © Нил деГрасс Тайсон известный астрофизик и популяризатор науки

Вернемся к теме статьи. Математическое объяснение

Чтобы понять почему мы видим галактики такими четкими, а Плутон нет, нужно понять, что такое угловое разрешение камеры и соотношение дистанции до объекта к его размеру

Угловое рарешение это способность глаза, телескопа, микроскопа, камеры и тд, распознать детали другово объекта. Угловое разрешение обычно измеряют в угловых секундах

1 градус = 3600 угловых секунд

Луна, к примеру, занимает на нашем небе 1800 угловых секунд т.е 0,5 градуса

Луна
Чтобы всем было понятно о чем речь, рассмотрим Луну для сравнения.
Луна 3476 км в диаметре, среднее расстояние до Земли 384,000 км
Полная луна покрывает 1800 угл сек неба т.е. 0,5 градуса

Зная это, мы можем расчитать, размер объекта, который вы можете увидеть на Луне с Земли своими глазами

Все очень просто: берем диаметр 3476 км, делим его на количество 1800 угл сек, которое Луна покрывает в небе и получаем = 1,93

1,93 это количество км показывающие насколько велико разрешение 1 угловой секунды (основанной на диаметре и дистанции до Луны)

1,93 умножим на угловое разрешение ваших глаз 60 и получим = 115,8 км
Минимальный объект, который вы сможете увидить своими глазами на Луне, с Земли будет размером ~ 116 км
Удалите Луну дальше от нас, оставив диаметр таким же — она будет покрывать меньше угл секунд в небе, и вы будете видеть все меньше и меньше деталей по мере отдаления Луны, тут вы можете представить, Плутон — ооочень далеко, но галактика Андромеды в 4 313 207 570 раз дальше, чем Плутон, казалось бы, не будет ли дальность галактики компенсироваться ее огромным размером?
Будет, поэтому важно помнить о соотношении размера галактики, т.к тот факт, что она чертовски далеко, не отменяет того факта, что ее размер 2 459 737 390 000 000 000 км
Поэтому важно соотношение размера объекта к его удаленности, что вы увидите ниже

Камера Хаббла
Оба снимка — Плутона и галактики, показанные в начале статьи, были сделаны «на широкоугольную камеру 3» (TWС3) Хаббла
Разрешение этой камеры = 0,05 угловых секунд

Галактика Андромеды
(260,000 св. лет в диаметре) / (расстояние до нее 2 млн св. лет) = 0.13 (соотношение диаметра к расстоянию до нас)
1/3600 град = 1 угл сек (угловых секунд)
В нашем небе она занимает 10.800 угл. сек т.е.3 градуса, Луна занимает только 0.5 градуса неба, это значит, что Луна в 6 раз меньше на нашем небе, чем галактика Андромеды

Плутон
(2400 км в диаметре) / (4.280 млн км) = 0.00000056 (4.280 млн км — это расстояние в ближайшем сближении с Землей, как уже было указано выше в статье)
1/3600 град = 1 угл сек

Место которое занимает Плутон на нашем небе переводится из угловых сек в градусы по формуле выше:
0,115 угл. сек (в ближайшем сближении с Землей) т.е. = 0.000031 градуса (что «несколько» меньше 6 градусов, занимаемых в нашем небе, галактикой Андромеды)
И вот так она выглядит на фото Cory PooleReddit (оригинал большего размера)

Основное зеркало Хаббла 2.4 метра диаметром, это значит, что используя формулу лимита Дэйвсаwiki мы знаем, что это равно 0.05 угл сек, что гораздо лучше разрешения человеческого глаза (60 против 0.05, — меньше лучше)

Умножая, уже посчитанную величину 1,93, на угловое разрешение Хаббла (0,05) получаем, что Хаббл может увидить объект на Луне размером ~ 100 м (против глаза человека ~116 км)

Ок, с Андромедой все ясно, но что если взять более далекую галактику, одну из самых ранних образованных галактик, например галактику EGS-zs8–1, которая в 6550 раз дальше галактики Андромеды

EGS-zs8–1 находится в 13.1 млрд световых годах, от нас (Если кто не знает возраст вселенной всего лишь 13,8 млрд лет)
Это самая далекая дистанция когда-либо измеренная от земли до другой галактики. Дистанцию на таких больших расстояниях измеряют по красному смещениюwiki. чем больше его значение, тем дальше находится галактика. У этой галактики, самое большое из когда-либо обнаруженных смещений

Ну вот, этот снимок уже более схож со снимком Плутона, показанного вначале статьи :)

Причина того, что Хаббл может показывать настолько более детализированные снимки галактик, в отличии от планет нашей солнечной системы, в том, что галактики просто огромного размера. И в соотношении их удаленности от нас с их размером, (как показано выше соотношение всего лишь 0,13 против соотношения Плутона = 0.00000056), дают нам возможность делать такие прекрасные снимки, даже таким устаревшим телескопом как Хаббл. Скоро ему на замену выйдет телескоп Джэймса Вэба, тогда мы сможем увидить галактики в еще большей детализации.

Как я уже упомянул, Андромеда больше Луны в 6 раз и если бы Андромеда была ярче, мы бы видели ее на нашем небе такой

ПрувYouTube на 5:35

Даже если рассмотреть галактику NGC 5584, находящуюся в 70 млн световых лет от нас, что в 35 раз дальше Андромеды, все же она еще будет в ~ 1200 раз детальнее, чем Плутон, т.к не смотря на ее огромную отдаленность от нас, соотношение диаметра и удаленности больше в ~ 1200 раз, таковых у Плутона (0.00069 / 0.00000056 = ~ 1200)

Надеюсь хоть не много кому-нибудь помог в понимании того, почему же современные телескопы могут сделать невероятно красивую картинку галактики или туманности (например такую или что-то из этих из ТОП100 Хаббл фото)
но не могут показать достаточно детализированную фотографию Плутона или некоторых других планет нашей солнечной системы

Что посмотреть:
Всем рекомендую посмотреть Космос: Пространство и время (Продолжение знаменитых серий Карла Сагана)
Посмотреть в HD / fullHD можно на cxz.to или с помощью popcorntime (только на англ)
(не реклама)

На последок
Для тех, кто знает англ и кому интересно: ниже, под спойлером, потрясающее видео от NASA о том аппарате- открывателе новых горизонтов, который уже через пол месяца даст нам возможность впервые увидить нашу 9 «планету» — Плутон (вместо размытой точки на снимке из нескольких серых пикселей, которые мы имеем сейчас)

Опрос

© Geektimes