Как должны быть устроены глаза, приспособленные для астрономических наблюдений?

Немного физики.

Свет — это волна. Это означает, что когда свет проходит через апертуру, он дифрагирует . Это означает, что точечный источник света не может быть изображен как точка даже с помощью идеальной линзы . (Идеальная линза – это линза, свободная от аберраций . Такую линзу невозможно изготовить физически, так что разделительная сила любой физической линзы будет хуже, чем разделительная способность идеальной линзы того же диаметра.)

Наилучшая возможная разделительная способность (то есть минимальный угол зрения между двумя точечными источниками света, при котором их изображения различимы) идеальной линзы с физическим диаметром$d$находится по формуле Эйри :

где$\lambda$- длина волны света, излучаемого точечными источниками. (Результат в радианах, для тех, кому интересно.)

Подставляя 9 мм в качестве максимального диаметра адаптированного к темноте зрачка человеческого глаза, и учитывая$\lambda = 555\,\text{nm}$(зеленый свет для максимальной чувствительности) мы получаем, что сила разделения человеческого глаза не может быть лучше, чем

Разделительная способность нормального человеческого глаза (= глаза человека с нормальным зрением) считается равной примерно одной угловой минуте.

• Спутники Юпитера находятся на внешнем пределе наблюдения невооруженным глазом для людей с исключительно хорошим зрением; то, что кто-то может различить их невооруженным глазом, замечательно, но не сверхъестественно.

  (Максимальное угловое расстояние между галилеевыми спутниками и Юпитером составляет от 2′ до 10′, что более чем достаточно для разрешения невооруженным глазом; трудность увидеть их невооруженным глазом связана не с отсутствием остроты зрения, а скорее с большая разница между яркостью Юпитера и его спутников. Юпитер имеет видимую звездную величину -1,66, когда находится в оппозиции к Солнцу, в то время как галилеевские спутники имеют звездную величину от 4,6 до 5,6. Проще говоря, Юпитер настолько ярок, что бедные луны тонут. на черном фоне.)

• Догоны выдумывают, что совершенно обычно для бесписьменного народа. Глаза Супермена не могут быть намного лучше, чем обычные человеческие глаза, если только они не огромны .

  (Мне больше всего нравится, что догоны, которые якобы знали, что Сириус — тройная звезда, не могли даже указать на Сириус — а Сириус — самая яркая звезда на ночном небе.)

• Предел астрономических наблюдений определяется непосредственно физическим размером объектива; входной зрачок человеческого глаза имеет максимальную ширину 9 мм; дешевый любительский телескоп начинается с 60 мм.

Боюсь, то, что вы хотите, непрактично. Это не то чтобы невозможно, но настолько непрактично, что вы не можете создать существо (не говоря уже о гуманоиде), способное на то, что вы хотите.

Вам нужно понять некоторые основы ограничений астрономических наблюдений, связанных с Землей, чтобы понять, почему.

Что касается некоторых утверждений, которые вы упомянули, имейте в виду, что ошеломляющее количество профессиональных астрономов в какой-то момент заявили, что они могут видеть (и даже нанести на карту!) каналы на Марсе. Там, конечно, нет никаких каналов, которые они могли бы увидеть, но сила самоубеждения — это единственная сверхспособность, которой действительно обладает человек. Так что относитесь к подобным сообщениям скептически.

Есть три основных ограничения разрешающей способности на видимых длинах волн. Первый из них объяснил AlexP в своем ответе . Я не буду вдаваться в подробности еще раз, но в основном это означает, что вам нужно чрезвычайно большое устройство, чтобы сфокусировать свет и иметь возможность разрешать детали на заданной длине волны.

Вторая причина — атмосфера. Вы часто будете видеть, как астрономы обсуждают хорошие условия для наблюдения. Под этим астроном имеет в виду, что они могут превратить планету, подобную Марсу, в несколько размытый шар, в котором можно различить только самые крупные детали планеты (например, Красное Пятно Юпитера). Атмосфера, через которую вы должны наблюдать, означает, что любой свет, попадающий в атмосферу, искажается огромным количеством мельчайших движений и взаимодействий воздуха, и вы просто не можете разглядеть реальные детали.

Третья причина — количество фотонов, достигающих вас. Свет от звезд управляется мощными реакциями внутреннего синтеза и относительно силен, но планеты и т. д. полагаются на отраженный свет, чтобы быть видимыми. Это означает, что свет должен достичь планеты, к тому времени, когда он туда попадает, он становится слабым, а затем только эта крошечная часть отраженного света распространяется под всеми возможными углами, и мы получаем только еще меньшую часть этого света, когда он достигает Земли. . И даже это еще больше уменьшается из-за атмосферы. Чтобы представить это в перспективе, чтобы точно измерить расстояние до Луны, НАСА поместило специальный отражатель на поверхность Луны и выстрелило в него мощным лазером (наведенным мощным телескопом), и то, что они получили, было порядка около одного фотона в секунду.

Так что же это означает на практике?

Хорошее изображение Марса в его самом близком приближении к нам за десятилетия, сделанное с помощью очень хорошего любительского телескопа кем-то, кто опытен, терпелив и понимает, что он делает, будет примерно таким:

Это довольно подробно объясняется в превосходном видео Тандерфута о наблюдении за Марсом на YouTube .

Как он объясняет, это разрешение ниже порога, описанного в сообщении AlexP, который является теоретическим пределом без других ограничивающих эффектов.

Телескоп, использованный Thunderfoot для этого изображения, был 11-дюймовым телескопом Кассегрена, и это много оптики. Вы не сможете построить гуманоида с такой оптической силой или чем-то подобным.

Я боюсь, что любое научное представление о реальном гуманоидном (астрономическом) телескопическом зрении нереалистично.

С практической точки зрения, люди развили систему, позволяющую им это делать: она называется мышлением . Мы развили мозг, который умеет создавать инструменты, позволяющие нам превзойти наши хрупкие человеческие ограничения. Нам не нужно развивать что-то еще, нам просто нужно продолжать использовать наш мозг. Это жесткий научный ответ . Пара хороших биноклей, откровенно говоря, действительно хорошее решение для расширения человеческого зрения так, как вы хотите. В некотором смысле мы «эволюционировали» бинокли и телескопы для этой цели.

Кроме того, с точки зрения практических наук, нет никакого эволюционного преимущества в развитии желаемого зрения. Какая от этого польза? Это не защитит вас, это не поможет вам найти еду или лучше охотиться. Это добавит вам значительную уязвимость, так как такая большая оптика будет настоящим препятствием в любых ситуациях, в которых вы находитесь в опасности. Последний пункт делает его эволюционным тупиком. Вот почему ни одно существо на Земле не эволюционировало так, как вы описываете.

Таким образом, твердая наука не предлагает метода решения вашей проблемы. Наоборот, делает его неработоспособным и ненужным.

Если бы у вас была другая анатомия, все могло бы сложиться иначе. Существо с большим телом, которое покрыто глазами, ночью могло образовать безлинзовый огромный глаз.

Это было бы еще более дико, если бы у вас было существо коллективного разума с фотореалистичной памятью. Они могли наблюдать за планетой, движущейся перед солнцем, с разных точек зрения на планету, а затем объединить эту память в наблюдение с параллаксом размером с планету.