왜 유명한 허블 망원경은 화성조차 선명하게 볼 수 없나요?

지구의 대기는 인간 존재의 기초이지만 우주를 관찰하는 능력을 제한하기도 합니다. 이러한 딜레마를 해소하기 위해 1990년 4월 24일 그 유명한 허블 망원경이 발사되었습니다. , 다음 날 허블 망원경은 기대에 부응하여 별이 빛나는 하늘에 대한 수많은 매혹적인 사진을 가져왔고, 이는 우주에 대한 인류의 이해를 크게 향상시켰습니다. 특히 2019년 5월 발표된 허블 레거시 필드(HLF)에는 약 265,000개의 은하가 포함되어 있으며, 그 중 가장 오래된 은하가 현재 우리로부터 400억 광년 이상 떨어져 있습니다.

지구 위 궤도에 있는 허블 우주 망원경. NASA가 제공한 이 이미지의 요소

허블 망원경의 강력한 관측 능력은 정말 놀랍습니다. 논리적으로 말하면, 그러한 능력으로 태양계의 천체를 관찰하는 것은 정말 놀라운 일입니다. ?

위 사진은 화성이 지구에 가장 가까웠을 때 허블 망원경으로 촬영한 사진으로, 선명한 사진이 아니라는 것을 알 수 있다. 는 13km입니다. 이는 허블 망원경이 화성에서 13km 이상의 물체만 식별할 수 있고 화성을 전혀 명확하게 볼 수 없음을 의미합니다. 이제 질문이 생깁니다. 유명한 허블 망원경이 화성을 명확하게 볼 수 없는 이유는 무엇입니까?

허블 망원경은 400억 광년 이상 떨어진 은하계를 볼 수 있는데 화성은 왜 선명하게 볼 수 없는 걸까요?

망원경으로 대상 물체를 관찰하는 과정에서 대상 물체가 여러 개의 기하학적 점(이상적으로는 하나의 물체 지점이라고 할 수 있음)으로 나누어져 있음을 알 수 있습니다. 망원경으로 빛을 포착한 후에는 정밀한 이미지 포인트가 생성됩니다. 이러한 방식으로 하나의 물체 포인트가 하나의 이미지 포인트에 해당하고 여러 개의 이미지 포인트가 대상 물체의 이미지를 구성합니다.

그러나 회절 효과의 존재로 인해 망원경은 각 물체 지점에 대해 정확한 이미지 지점을 생성할 수 없으며 이미지 지점만 생성할 수 있습니다. 물체 지점이 너무 가까우면 해당 Airy 디스크가 서로 겹쳐서 구별하기 어려워집니다. 따라서 망원경에는 해상도 제한이 있습니다. 이 해상도 제한을 정의하는 방법은 일반적으로 Rayleigh Criteria를 사용합니다. 아래 그림). 레일리 기준의 관련 공식은 다음과 같습니다. 최소 분해능 각도 = 1.22 x 파장/망원경 조리개. 허블 망원경의 조리개는 2.4미터이고, 이를 파장은 가시광선의 평균 파장인 500나노미터로 대체하는 것으로 알려져 있습니다. 공식에 따르면 허블 망원경의 최소 분해능 각도는 ?= 1.22 x (5 x 10^-7)/2.4로 추정되며 이는 대략 2.54 x 10^-7 rad와 같습니다(참고: rad 라디안입니다).

화성이 지구에 가장 가까울 때 둘 사이의 거리는 약 5,460만km에 달하며, 여기에 허블 망원경의 최소 분해능 각도를 곱하면 화성 표면에 해당하는 거리가 나온다. 허블 망원경의 최소 해상도 거리는 약 13.88km로, 이는 기본적으로 위 화성 이미지의 해상도와 일치합니다. 마찬가지로 지구에 가장 가까울 때 목성의 거리는 6억 3천만 킬로미터이므로, 이때 목성 표면에서 허블 망원경의 최소 분해능 거리는 아래 사진과 같이 약 160킬로미터 정도이다.

태양에서 가장 멀리 떨어져 있는 행성인 해왕성은 아래 사진처럼 끔찍하게 보입니다.

그렇다면 허블 망원경은 왜 그렇게 먼 은하계를 볼 수 있을까요? 사실 우리는 간단한 추정을 통해 이 질문에 대한 답을 알 수 있습니다. NGC 1300 은하는 우리로부터 약 6,100만 광년 떨어진 에리다누스자리에 위치한 막대나선은하입니다. 이 데이터에 허블 망원경의 최소 해상도 각도를 곱하면 이 값을 얻을 수 있습니다. 거리는 약 15.494광년이다. 이는 과장처럼 보일 수도 있지만, 지름이 10만 광년이 넘는 NGC 1300 은하의 지름과 비교하면 전혀 과장이 아니다.

간단히 계산해 보면 허블 망원경의 해상도로 10만 광년에 걸쳐 6454픽셀을 생성할 수 있다는 것을 알 수 있다. 일반 23인치 와이드스크린의 해상도를 알아야 한다. 모니터의 최고 해상도는 1920 x 1080에 불과합니다. 이는 이 이미지를 완전히 표시하려면 24개의 모니터가 필요하다는 것을 의미합니다!

(위 사진은 허블 망원경으로 포착한 NGC 1300 은하의 모습)

위의 내용은 대략적인 추정일 뿐이지만 허블 망원경의 해상도는 기대만큼 높지는 않기 때문에 화성을 선명하게 볼 수 없는 것은 당연하다. 허블이 멀리 있는 은하들을 볼 수 있는 이유는 이 은하들의 크기가 너무 크기 때문이다.

그런데, 우리가 흔히 허블 망원경이 400억 광년 이상 떨어진 은하계를 볼 수 있다고 말할 때, 실제로는 우주의 팽창을 고려한다. 사실 허블 망원경은 볼 수 있다. 현재 수신되는 가장 오래된 빛은 130억 년 전의 빛이며, 이러한 빛을 방출하는 천체는 이제 팽창으로 인해 우리로부터 400억 광년 이상 떨어져 있습니다. 우주.