Почему сложно получить качественное изображение далеких объектов (например, Плутона) с помощью высокотехнологичного космического телескопа?

Почему НАСА отправило зонд так близко к Плутону вместо того, чтобы использовать высокотехнологичный телескоп для получения изображений его поверхности?

введите описание изображения здесь

Ледяные горы Плутона. Изображение предоставлено: New Horizons / Лаборатория прикладной физики Джона Хопкинса , 15 июля 2015 г.

Я всегда представлял себе, что с помощью космического телескопа можно издалека сделать хотя бы некачественные снимки крохотных штучек. Но, честно говоря, я запутался, увидев последние фотографии Плутона, сделанные «Новыми горизонтами», и я вообще не понимаю, почему мы не могли сделать такие некачественные снимки, не отправив к Плутону целый зонд?

Я понимаю, что невозможно сделать такой снимок с этого ракурса с Земли или близко расположенных к Земле телескопов, но качество изображения оставляет желать лучшего по сравнению со снимками Хаббла (сделанными из глубокого космоса) или другими подобными снимками других планет (например, Марса, Сатурна и т. д.). или Луна или даже планеты из других солнечных систем).

Качество изображения отличное.
@gerrit Да, это намного лучше, чем предыдущие ...
Это изображение имеет разрешение около 0,4 км на пиксель, если я правильно помню. Это довольно хорошее разрешение по сравнению с тем, что может сделать Хаббл.
«Космос большой. Действительно большой. Вы просто не поверите, насколько он огромен, огромен, ошеломляюще огромен. Я имею в виду, вы можете подумать, что до химика еще далеко, но это пустяки по сравнению с космосом. "
Вам может понравиться этот анимированный gif , который показывает сравнение качества.
@MichaelT Да, я думаю, это письмо было получено вчера.
@MichelKogan Да, оверлей раньше. Тем не менее, он показывает лучшее, что могут сделать наземные космические телескопы, и те же функции, что и у New Horizons (на расстоянии).
Вы думаете, что фото Плутона плохое? Я не мог поверить, что это лучшее фото Гидры, которое они сделали: nasa.gov/sites/default/files/thumbnails/image/nh-hydra_1_0.jpg
потому что Плутон действительно очень очень очень далеко?

Ответы (5)

Я думаю, что многие люди видят эти великолепные фотографии далеких галактик с мелкими деталями на полосах пыли и спиральных рукавах и предполагают, что, поскольку они так далеко, увидеть Плутон будет легко. Но хотя эти галактики далеко, они также огромны .

(Относительная) деталь, которую можно увидеть в любой данный телескоп, определяется размером объекта, деленным на расстояние от телескопа. Другими словами, угловой размер в небе.

θ знак равно с я г е д я с т а н с е

Сравним угловой размер далекой галактики с Плутоном. Размер красивой спиральной галактики (например, нашей) составляет около 100 000 световых лет. Мы сделаем его старым и поместим на расстоянии 10 миллиардов световых лет. Насколько он велик в телескоп?

θ знак равно 10 5 л у 10 9 л у
θ знак равно 10 − 5 р а д я а н с

Теперь, насколько мы можем видеть Плутон? Он имеет диаметр ~ 2400 км, а расстояние от Земли до Земли составляет около 48 а.е. Таким образом, он имеет угловой размер

θ знак равно 2,4 × 10 6 м 7.2 × 10 12 м
θ знак равно 3.3 × 10 − 7 р а д я а н с
линейное отношение знак равно 30 : 1
отношение площади (квадрата) знак равно 900 : 1

Это означает, что по сравнению с размытой далекой галактикой Плутон покрывает примерно на 3 порядка меньшую угловую площадь на небе. Неудивительно, что это сложнее изобразить.

Более того, при таких угловых масштабах вы упираетесь в дифракционный предел . Для видимого света и для апертуры размером с Хаббл вы не можете ожидать разрешения деталей, которые значительно меньше, чем примерно 2,5 × 10 − 7 радиан в поперечнике, что сравнимо с угловым размером самого Плутона. Чтобы добиться большего успеха с околоземной орбиты, вам нужно получить гораздо большее зеркало.

На самом деле, если вы посмотрите на это изображение НАСА, показывающее чрезвычайно глубокое поле Хаббла:

Хаббл XDF

в полном размере (шириной 976 пикселей), то, по моим расчетам, наиболее увеличенная часть в правом верхнем углу составляет около 2,5 × 10 − 7 р а д я а н с / п я Икс е л . На таком изображении Плутон был бы чуть больше 1 пикселя.

Вы попали в точку @BowlOfRed ... Спасибо за отличный ответ и хорошие формулы
Если так выразиться, почти удивительно, что мы открыли Плутон в 1930 году.
Наша способность обнаруживать что-то зависит от интенсивности света, исходящего от него, а не от углового размера. Даже у такого маленького Плутона диск намного больше, чем у большинства звезд, но это не значит, что звезды трудно увидеть, просто трудно увидеть различия на поверхности.
Re «... нужно получить зеркало гораздо большего размера»: или несколько зеркал, разделенных некоторым расстоянием.
Мое любимое изображение на тему: сравнение угловых размеров . Нептун там крошечный, и он намного больше и намного ближе, чем Плутон.
Нет, просто ошибка. Я намеревался использовать числа перигелия, но вместо этого использовал афелий и не уловил его. :-\ Спасибо. Вместо того, чтобы повторять с другими числами, я только что обновил их значение. Но в лучшем случае это сделает его шириной около 2,2 пикселя на этой фотографии. 48 тоже не совсем правильно (должно быть +1 вместо -1 для самой дальней точки), но 2AU здесь не так уж важно.
технически theta = size/distanceэто упрощение, которое работает только для очень малых значений Theta (значения, при которых cos(theta) равен ~1, и поэтому sin(theta) ведет себя как theta.
Этот ответ, особенно с последними изменениями, очень точно ответил на мой вопрос, поэтому его стоит принять. Спасибо
@ njzk2 Удобно, что тета для астрономических объектов — даже Солнца или Луны — всегда довольно мала.
Обязательная ссылка xkcd на угловой размер xkcd.com/1276 К сожалению, она не включает туманности.

Расстояние. Размер цели. Его низкое альбедо на таком расстоянии от единственного источника освещения, Солнца, по сравнению с более близкими небесными телами. А перемещение цели и точки обзора по их орбитам препятствует использованию передовых методов интерполяции изображений, объединяющих несколько наблюдений одной и той же стороны Плутона при одинаковых условиях освещения.

Плутон в настоящее время находится на расстоянии 31,9 а.е. (астрономические единицы, 1 а.е. - среднее расстояние между Землей и Солнцем) от Земли, где в настоящее время вокруг него вращается орбитальный оптический телескоп с самым высоким пространственным разрешением, космический телескоп Хаббла (HST). Другими словами, Плутон находится почти в 32 раза дальше от нас и Хаббла, чем Солнце:

   введите описание изображения здесь

   Расстояние до Плутона в масштабе. Источник изображения: Solar System Scope , с использованием реалистичной (неоррериальной) модели и размеров для масштабирования.

Камера ESA Faint Object Camera с самым высоким разрешением HST имеет пространственное разрешение 0,0072 угловых секунды и может создавать изображения Плутона размером примерно 16x16 пикселей с такого расстояния:

   Вид Плутона с камеры ЕКА для обнаружения слабых объектов

   Виды Плутона с камеры ЕКА для обнаружения слабых объектов и расчетные интерполяции (Источник: ESA)

Конечно, даже эти 16x16 пикселей сильно страдают от предела Рэлея оптики типа Кассегрена HST , но я избавлю вас от технических подробностей. Суть в том, что для чего-то большего, чем то, что может произвести HST, нам потребуется либо еще больший телескоп, чем Хаббл, либо то, что мы сделали с New Horizons, переместим меньшие намного, намного ближе к своей цели.

Кроме того, изображение, которое вы прикрепляете к своему вопросу, действительно плохого качества? Он разрешает объекты размером менее мили (1,6 км) в поперечнике. А также были получены другие изображения с разрешением до 70 метров в поперечнике. Нам остается только дождаться их. При скорости передачи ~ 2 кбит/с ему потребуется почти полтора года, чтобы отправить все данные, полученные во время пролета, обратно на Землю.

Вы довольно хорошо объяснили техническую часть ... на самом деле я представлял себе гораздо лучшее качество, например, те, что у нас есть с поверхности Марса и Луны (те, к которым мы можем получить доступ через Google Earth для Марса / Луны) ... Однако, как вы сказали, лучше качественные уже в пути. Спасибо за отличный ответ.
Google-карты Марса и Луны были созданы спутниками на орбите вокруг объектов, которые они отображали, и на гораздо более близких расстояниях, чем при пролете Плутона: <500 миль, а не 7000+ миль.
Уважаемые TildalWave, @Mauro и PearsonArtPhoto или кто-либо еще.... Так как же проект НАСА «Кеплер» находит планеты издалека? Их фотографируют? т.е. есть ли какие-либо изображения земноподобных планет, таких как Kepler-438b?
@MichelKogan Кеплер не фотографирует экзопланеты. Он измеряет яркость родительской звезды с течением времени, а затем эти данные анализируются на наличие возможных транзитных планет путем поиска периодических провалов в яркости, когда эта планета завершает оборот вокруг своей звезды и блокирует часть своего света, когда находится между звездой и Кеплером. Прямая визуализация экзопланет проблематична по множеству причин, например, из-за низкого альбедо экзопланеты по сравнению с ближайшей звездой и необходимости наличия удаленных затеняющих объектов между звездой и наблюдателем. Но это совершенно другие вопросы, поэтому, пожалуйста, задавайте их как таковые.
Я просто хотел отметить, что Хаббл не такой уж большой. Его главное зеркало имеет диаметр всего 2,4 м, фокусное расстояние 57,6 м, массу 11,1 тонны. Сравните это с тем, что могла бы сделать ракета «Протон»: диаметр 4,1 м, вес 20 тонн, фокусное расстояние 100 м и более. Поэтому, когда вы говорите: «Нам либо нужен телескоп еще большего размера, чем Хаббл», вы делаете это так, как будто это требует слишком многого/невозможно, когда на самом деле протоны запускаются все время. Другими словами, люди платят за то, чтобы запускать 20 тонн все время. Все, что нам нужно, это кто-то, кто захочет сделать это для телескопа.
@ DrZ214 DrZ214 Вы читаете то, чего нет. Нам понадобится еще больший телескоп. Тогда это может быть что угодно. В том числе JWST, который будет иметь гораздо большую разрешающую способность (диаметр 6,5 м), пусть и не в видимом спектре света. Но в настоящее время HST является космическим телескопом самого большого диаметра (оптического или иного), который у нас есть. Например, Кеплер всего 0,95 м, Спитцер 0,85 м, WISE 0,4 м... И, честно говоря, я лично не стал бы запускать на Протоне что-либо, что было бы непомерно дорого заменить. У него довольно низкая надежность с некоторыми впечатляющими отказами. Некоторые недавние.
У всех ракет есть частота отказов, и если вы посмотрите на семейство «Протонов», это на самом деле одна из самых надежных тяжелых пусковых установок в мире. В долгосрочной перспективе время от времени у вас может быть 2 или даже 3 проигрыша подряд (или относительно короткий промежуток времени), но не делайте ставку на красное только потому, что черное выпало 6 раз подряд на стол для рулетки. Не меняет общую скорость происходящего. Может быть, вы имеете в виду недавнюю новую версию? Proton Breeze M или что-то еще из новинок? Я не знаю всей статистики по всем версиям, но был бы рад изучить ее.
Чтобы приблизиться к разрешению изображения New Horizons, вам понадобится телескоп с диаметром зеркала в несколько километров. Я сомневаюсь, что какая-либо ракета будет достаточно большой, чтобы доставить ее в открытый космос.
@TildalWave Отличный ответ. Единственное, что я хотел бы добавить, это то, что фотографии, которые у нас есть с New Horizon, не самые лучшие, потому что они выбрали сжатие с потерями, чтобы получить некоторые изображения очень быстро. Мы получим фотографии без потерь позже.
@MiniRagnarok Ранние «отказоустойчивые» сеансы загрузки New Horizons (A и B) объясняются в других вопросах, помеченных как new-horizons . В конце концов, я должен перестать отвечать на вопрос и двигаться дальше по жизни. Я надеюсь, что вы можете оценить это. Но согласен, в настоящее время это горячая тема, и общественность переваривает много информации. Не стесняйтесь задавать новые вопросы или давать новые ответы, если считаете, что мы что-то упустили. Добро пожаловать в наш главный чат The Pod Bay для общего чата . Там мы делимся большим количеством информации. ;)

Чтобы получить материал с действительно высоким разрешением, вам нужно выйти за пределы атмосферы. Лучшим инструментом для этого является космический телескоп Хаббл. Разрешение Хаббла составляет около 0,05 угловых секунд. Плутон в настоящее время составляет около 3,5 миллиардов миль. Это дает разрешение 850 миль или около того. Это ограничено размером зеркала Хаббла, которое составляет около 2 м в ширину. Все это очень грубо, заметьте. Плутон — довольно маленький объект, плюс-минус 1470 миль. Итак, Плутон находится всего в нескольких пикселях от Хаббла. Далее это объяснило Планетарное общество .

Абсолютно лучшее изображение, которое было до «Новых горизонтов», было получено путем долгого наблюдения за Плутоном и выполнения некоторых очень сложных вещей, чтобы получить следующее :

Плутон от Хаббла

В общем, я слышал, что в течение 9 дней после ближайшего сближения Хаббл мог лучше сфотографировать Плутон, чем New Horizons. (Хотя, как отмечает Эмили Лакдавалла , это касается изображения в сверхвысоком разрешении, на самом деле это началось примерно в начале этого года. Со сверхвысоким разрешением с Хаббла проще, потому что у нас есть больше данных с него и более точные данные.) И большая часть изображения, которые мы видели до сих пор, были сделаны до этого периода времени. Даже тогда, хотя некоторые детали композита Хаббла видны (в частности, Сердце), детализация для New Horizons была лучше в течение нескольких дней.

Изображения, которые были получены и скоро будут отправлены на Землю, имеют гораздо более высокое разрешение, чем то, что было видно до сих пор. Потребуется целых 18 месяцев, чтобы получить все данные с пролета на землю. Некоторые из изображений с высоким разрешением уже появляются, их будет больше.

Подводя итог, можно сказать, что да, рядом с Землей у нас есть удивительные камеры, но расстояние до Плутона астрономическое, и для получения хорошего изображения требуется послать космический корабль близко.

Не стесняйтесь принять это с помощью флажка ;-)
"расстояние астрономическое" <-- дословно
Является ли яркая черта в 180-градусном обзоре «сердцем»?
Я так считаю. Интересно конечно сравнить.

Чтобы добавить к некоторым уже замечательным ответам, я хотел бы рассказать об основах физики фотографии, которые вы можете испытать здесь, на Земле.

Когда вы фотографируете что-либо, вы собираете информацию в виде отраженного от него света. В ярком, хорошо освещенном помещении, где вы фотографируете крупным планом или у вас есть огромный объектив, вы можете собрать достаточно света, чтобы детали изображения стали видны за доли секунды. Когда вы снимаете при слабом освещении, диафрагма камеры должна оставаться открытой дольше, чтобы собрать достаточно света, чтобы детали были различимы (в качестве простого примера подумайте о том, сколько времени требуется вашим глазам, чтобы приспособиться к слабому освещению, достаточному для вас). чтобы хорошо видеть в нем - представьте, что затвор камеры должен оставаться открытым так долго, чтобы собрать столько света, чтобы видеть четко), поэтому объект, который вы снимаете, должен оставаться совершенно неподвижным в течение этого времени, иначе изображение в конечном итоге будет размытым. . Тот же эффект применяется, когда вы

С Плутоном мы совмещаем обе эти проблемы, крайне слабое освещение и чрезвычайно большое расстояние. Здесь, на Земле, мы получаем такое незначительное количество отраженного света от Плутона, что его даже невозможно увидеть без отличной оптики, да и то практически только как пятнышко света. Для того, чтобы получить изображение «с более высоким разрешением» с нашей точки зрения, мы должны были бы сделать одну экспозицию Плутона в течение нескольких недель или дольше (по сравнению с долей секунды, необходимой для фотографирования здесь), но более В течение этих недель Земля вращается вокруг Солнца, Плутон вращается вокруг Солнца, Плутон вращается и т. д., так что практически ничто не удерживается на месте для вашего выстрела . Мы можем внести некоторую поправку для этого, но его эффективность все еще ограничена.

Есть только два решения. Постройте телескоп большего размера, чтобы собрать больше отраженного света за меньшее время экспозиции или приблизиться. Размер телескопа, необходимого для получения изображений с более высоким разрешением, был бы огромным и гораздо менее рентабельным, чем просто прикрутить камеру к металлическому ящику и бросить ее к Плутону с максимально возможной для человека скоростью.

Приношу извинения команде New Horizons за поразительное упрощение их миссии... Я в восторге от их работы.

«[Плутон] даже не виден без отличной оптики на орбите». Плутон был открыт в 1930 году . Я не знаю ни о каких космических телескопах того времени.
Я исправляюсь!

На протяжении более сорока лет на Луне находились искусственные объекты, которые не совсем крошечные и находятся всего в четверти миллиона миль от нас, но даже наши лучшие телескопы не смогли их сфотографировать. Плутон находится на расстоянии от двух с половиной до четырех с половиной миллиардов миль.

Почему сложно получить качественное изображение далеких объектов (например, Плутона) с помощью высокотехнологичного космического телескопа?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v