Гэта мастацкае адлюстраванне паказвае далёкі погляд ад тэарэтычнага

Спытай Ітан: Чаму нашы тэлескопы не могуць знайсці планету X?

Мы можам даследаваць самыя далёкія дасягненні Сусвету, але нават не можам завяршыць уласны касмічны двор.

Гісторыя астраноміі была гісторыяй адступлення гарызонтаў. Вынаходніцтва тэлескопа вышло нас за межы нашых няўзброеных вачэй да мільёнаў (а потым і мільярдаў) зорак у межах нашага ўласнага Млечнага Шляху. Прымяненне фатаграфіі і шматхвалевай астраноміі да тэлескопаў вывело нас за межы нашай уласнай галактыкі, у далёкія “астраўныя сусветы”, засяляючы ўсю прастору, да якога мы можам атрымаць доступ. Тым не менш, калі мы ведаем пра далёкую Сусвет, у нашай уласнай Сонечнай сістэме ўсё яшчэ могуць быць невыкрытыя светы. Чаму гэта? Джозэф Камэнс хоча ведаць, пытаючы:

Калі навукоўцы могуць выкарыстоўваць тэлескопы для палявання на планеты, галактыкі, экзапланеты і г.д., то чаму мы не можам сканаваць нашу Сонечную сістэму на прадмет няўлоўнай планеты X ці іншых нябесных тэл у нашай хатняй сістэме?

Наколькі мы зазірнулі ў Сусвет, нам усё яшчэ трэба будзе доўгі шлях, нават на ўласным двары.

Зыходзячы з арбітальных параметраў, большасць аб'ектаў па-за межамі Нептуна трапляюць у некаторыя вядомыя катэгорыі, такія як пояс Койпера ці рассеяны дыск. Асобныя аб'екты сустракаюцца рэдка, а Сядна - мабыць, адзіны выключны аб'ект з усіх памераў і арбітальных параметраў. За межамі Нептуна, але яшчэ ў поясе Койпера, знаходзяцца аб'екты, якія з'яўляюцца самымі раннімі і некранутымі рэшткамі перыяду фарміравання планеты ў нашай Сонечнай сістэме. Звярніце ўвагу, што большасць з гэтых аб'ектаў да гэтага часу не выяўленыя. (WIKIMEDIA COMMONS USER EUROCOMMUTER)

Вам трэба зразумець ключавое слова, якое ставіць усё пытанне ў перспектыву: велічыня. З астранамічнай пункту гледжання кожны аб'ект мае ўласцівую яму яркасць, вызначаную колькасцю святла, якое ён выпраменьвае. Для такога аб'екта, як наша Сонца, гэта звязана з яго ўласнай яркасцю, бо Сонца стварае ўласную энергію і выпраменьвае яе ва ўсе бакі. Для такога аб'екта, як наша Месяц, гэта звязана з яго адлюстраванай яркасцю, бо ён адлюстроўвае святло толькі ад іншых аб'ектаў. Месяц не мае самастойнага асвятлення.

Калі вы паглядзіце на Месяц у перыяд яго паўмесяца, вы сапраўды можаце разабраць сігнал з паверхні месяца, якая не асветлена Сонцам. Гэта не нейкая хітрасць атмасферы Месяца (паколькі яе практычна няма), а хутчэй за ўсё на Зямлі: сонечнае святло адлюстроўваецца ад Зямлі і на Месяц.

Паўмесяц, калі ён з'яўляецца на небе, мае форму паўмесяца, таму што гэта частка, асветленая Сонцам. Астатняя частка Месяца ўсё яшчэ бачная, аднак з-за з'явы Зямля, дзе сонечнае святло, адлюстраванае Зямлёй, прызямляецца на Месяц і зноў адлюстроўваецца на Зямлі. (НАЦЫЯНАЛЬНЫ МІЗЕЙ ЖЕЛЕЗНЫХ ШАЛЕЙ / SSPL / GETTY IMAGES

Розніца ў яркасці паміж гэтымі прыкладамі дэманструе, наколькі экстрэмальнай з'яўляецца розніца паміж адлюстраванай яркасцю і самасвячэннем.

Але ёсць яшчэ адна рэч, пра якую можна пераканацца ў надзвычайнай розніцы яркасці паміж Сонцам і Месяцам і Месяцам і ўсім астатнім на начным небе. Месяц не мае права здавацца ярчэй, чым кожная зорка, планета ці галактыка на небе, зыходзячы з уласнай жаласнай велічыні. Па сутнасці, Месяц - найменшы аб'ект, які бачны няўзброеным вокам з любой кропкі Зямлі. Але ўсё ж яно выглядае ярчэй за ўсё, акрамя Сонца!

Прычынай гэтага з'яўляецца тое, што Месяц настолькі блізкі, і што ўнутраная яркасць не такая, як назіраная яркасць або яўная.

Тое, як сонечнае святло распаўсюджваецца ў залежнасці ад адлегласці, азначае, што чым далей ад крыніцы энергіі вы знаходзіцеся, тым энергія, якую вы перахопліваеце, адыходзіць як квадрат на адлегласці. (WIKIMEDIA COMMONS USOR BORB)

Чым далей аб'ект, тым менш ярка ён выглядае. Але гэта не проста нейкае агульнае правіла, якое мы ўжываем, ёсць колькасная залежнасць, якая дазваляе нам вызначыць, наколькі ярка-слабым аб'ект з'яўляецца на аснове яго адлегласці. Прасцей кажучы, яркасць падае, калі адваротнае адлегласць у квадраце, або b ~ 1 / r².

Змесціце аб'ект удвая далей, і ён будзе здавацца яркай на адну чацвёртую. Размесціце яго ў дзесяць разоў больш далёка, і яно выглядае якраз на сотую сотку. І размесціце яго ў тысячу разоў далёка ад вас, як ён пачаў, і яно будзе здавацца якраз мільённым, такім яркім, як было першапачаткова.

Для любога аб'екта, які выпраменьвае ўласнае святло, гэтыя два фактары вызначаюць бачную яркасць аб'екта: уласную яркасць і адлегласць, якое ён знаходзіцца ад назіральніка.

Адлюстроўваюць тэлескопы даўно пераўзышлі рефракторы, так як па памерах можна стварыць люстэрка, значна пераўзыходзячы памеры, да якіх можна пабудаваць лінзы аналагічнай якасці. Нават калі б мы ўзялі ўсе тэлескопы на Зямлі і прысвяцілі іх спробе адкрыць дадатковыя светы ў Сонечнай сістэме, мы б не злавілі іх усіх. (Назіранні Інстытута Карнегі па зборы навукі ў Бібліятэцы Хантынгтона, Сан-Марына, КАЛІФ.)

Гэтыя два фактары, магчыма, два самых вялікіх, якія трэба ўлічваць, калі мы вызначаем, які тып тэлескопа пабудаваць. Хочаце ўбачыць нешта больш слабы? Вам трэба будзе сабраць больш святла, што альбо азначае пабудову большага тэлескопа, альбо назіранне за той жа часткай неба даўжэй.

Калі грошы і машынабудаванне не лічацца, вы кожны раз выбіралі б вялікі тэлескоп. Пабудуйце тэлескоп удвая больш, і вы не толькі збіраеце святло ў чатыры разы, але і падвойваеце дазвол. Каб сабраць у чатыры разы больш святла, назіраючы больш, трэба выдаткаваць чатыры разы колькасць часу і не атрымаць такой перавагі ў дазволе.

Самыя вялікія тэлескопы ў нас здольныя праглядаць аб'екты з максімальным дазволам і ў самыя кароткія тэрміны разглядаць іх дэталі.

На гэтым дыяграме паказана новая 5-люстраная аптычная сістэма надзвычай вялікага тэлескопа ESO (ELT). Перш чым дасягнуць навуковых прыбораў, святло спачатку адлюстроўваецца ад гіганцкага ўвагнутага 39-метровага першаснага люстэрка тэлескопа (М1), пасля чаго адскоквае ад дзвюх яшчэ 4-метровых люстэркаў, адно выпуклае (М2) і адно ўвагнутае (М3). Апошнія дзве люстэркі (M4 і M5) ўтвараюць убудаваную адаптыўную аптычную сістэму, якая дазваляе фармаваць надзвычай рэзкія выявы ў канчатковай фокуснай плоскасці. Гэты тэлескоп будзе мець больш магутнасці збору святла, чым любы тэлескоп у гісторыі. (ESO)

Там жа разглядаецца поле зроку. Якая ваша мэта? Ці магчыма ўбачыць найменшы аб'ект? Ці гэта для прагляду як мага большай колькасці Сусвету?

Там можна зрабіць кампраміс. Ваш тэлескоп можа сабраць пэўную колькасць святла, і ён можа альбо зрабіць гэта, прагледзеўшы невялікую вобласць з вялікай дакладнасцю, альбо вялікі рэгіён з меншай дакладнасцю. Падобна таму, што мікраскоп можа падвоіць павелічэнне, удвая скараціўшы дыяметр поля зроку, і тэлескоп зможа ўбачыць глыбей у вобласць Сусвету, звузіўшы поле зроку.

Розныя тэлескопы аптымізаваны для розных мэтаў. Аднак кампраміс сур'ёзны. Калі мы хочам ісці як мага глыбей, мы можам зрабіць гэта толькі ў адной невялікай вобласці неба.

Розныя кампаніі з доўгай экспазіцыяй, напрыклад, Глыбокае поле Hubble eXtreme (XDF), паказалі тысячы галактык у аб'ёме Сусвету, што ўяўляе сабой долю мільённай часткі неба. Але нават пры ўсёй магутнасці Хабла і ўсім павелічэнні гравітацыйнага лінзіравання, там усё яшчэ ёсць галактыкі за межамі таго, што мы здольныя бачыць. (NASA, ESA, H. TEPLITZ і M. RAFELSKI (IPAC / CALTECH), A. KOEKEMOER (STSCI), R. WINDHORST (Дзяржаўны універсітэт ARIZONA) і Z. LEVAY (STSCI))

Гэта глыбокае поле Hubble eXtreme. Малюсенькая вобласць космасу была размешчана ў розных даўжынях хваль на працягу 23 дзён. Аб'ём інфармацыі, які быў раскрыты, захоплівае дух: мы знайшлі 5500 галактык на гэтым невялікім участку неба. Самыя слабыя аб'екты ў гэтым патчы літаральна ў 10 000 000 000 (дзесяць мільярдаў) разоў слабейшыя за тое, што вы можаце бачыць на мяжы няўзброеным вокам.

Дзякуючы люстэрку вялікага дыяметра, назіранням за рознымі даўжынямі хваль, размяшчэнні ў космасе, а таксама сваім вялікім павелічэннем і малым полем зроку Хаббл можа выявіць самыя слабыя галактыкі, якія калі-небудзь былі знойдзеныя. Але ёсць выдаткі: гэты вобраз, на стварэнне якога спатрэбілася 23 дні, ахоплівае толькі 1/3200000000-га неба.

Гэты сціснуты выгляд усяго неба, які бачыцца з Гаваяў Абсерваторыяй Pan-STARRS1, з'яўляецца вынікам паўмільёна экспазіцый, даўжыня якіх каля 45 секунд. Абследаванне шырокага поля, як Pan-STARRS, можа выявіць дзясяткі тысяч аб'ектаў пояса Койпера, але яму трэба будзе бачыць больш слабыя аб'екты, чым здольны бачыць Pan-STARRS. (ДАННІ ФАРРОУ, ПАН-СТАРРС1 НАУКОВЫ КАНСАРТЫЙ І МАКСАН ПЛАНКОВЫ ІНСТЫТУТ ДЛЯ ЭКСПАРТЭСТРЫЯЛЬНАЙ ФІЗІКІ)

З іншага боку, вы можаце прыняць такое меркаванне. Гэта было створана пры дапамозе тэлескопа Pan-STARRS, які разглядае ўсё бачнае неба некалькі разоў кожную ноч са свайго месцазнаходжання тут, на Зямлі. Па памерах ён параўнальны з касмічным тэлескопам "Хабл", але ён аптымізаваны для шырокага палявання, выбіраючы для павелічэння неба неба.

У выніку можна выявіць прадметы, размешчаныя практычна дзе заўгодна на небе; Толькі крайні рэгіён паўднёвага полюса адрэзаны з-за размяшчэння тэлескопа ў паўночным паўшар'і. Pan-STARRS, які абазначае тэлескоп Panoramic Survey і сістэму хуткага рэагавання, захоплівае каля 75% неба і выдатна падыходзіць для выяўлення змяненняў паміж кропкамі святла. Тут можна знайсці каметы, астэроіды, прадметы пояса Койпера і шмат іншага, як ніхто іншы. Але ён можа знайсці толькі прадметы, якія ў тысячы разоў ярчэй, чым самыя слабыя, якія можа выявіць Хабл.

Хоць Sedna быў адкрыты яшчэ ў 2003 годзе, толькі адзін іншы аб'ект, 2012 VP113 (паказаны тут), быў знойдзены, што класіфікуецца як Седноід, і які, магчыма, паходзіць з унутранага воблака Оорта. Некаторыя аддаюць перавагу гіпотэзе

Як бы мы ні хацелі, мы не можам проста разгледзець усю знешнюю Сонечную сістэму з неабходнай велічынёй, каб выявіць усё, што там. Супер глыбокае, вельмі слабае, усё абследаванне неба, верагодна, ніколі не стане магчымай з-за тэхналагічных абмежаванняў; мы можам ісці слабым і вузкім ці яркім і шырокім, але не абодва, адначасова.

Ёсць яшчэ адзін абмежавальны фактар, які ідзе ў самым пачатку: гэтыя аб'екты адлюстроўваюць толькі сонечнае святло. Калі вы паглядзіце на знешнюю Сонечную сістэму на два аднолькавыя аб'екты, але адзін удвая большы, чым іншы, ён на самай справе толькі адзін-шаснаццаты. Гэта таму, што з часам сонечнае святло трапляе ў далейшы аб'ект, яркае толькі на чвэрць, але потым адлюстраванае святло павінна праехаць удвая большае адлегласць назад да нашых вачэй, дзякуючы чаму агульная яўная яркасць адваліцца як b ~ 1 / r⁴. Нават калі б у нас быў свет Юпітэра, размешчаны ў воблаку Оорта, мы б яго яшчэ не знайшлі.

Далёка за межамі Сонца і планет нашай Сонечнай сістэмы існуе пояс Койпера. Тым не менш, нават там ёсць шэраг іншых аб'ектаў, якія часта мудрагелістыя і блытаюць арбітальныя ўласцівасці. Мы спадзяемся ў хуткім часе выявіць правільнае тлумачэнне таго, чаму яны такія, як яны ёсць. (ПРЫКЛЮЧАЮЦЬ УНІВЕРСАЛІТСЬКАЯ УНІВАРЫЯЛЬНАЯ ПРАЦІЯ Джона Хапкінса / ЛІБАРАТАРЫЯ / ІНСТЫТУТ ПІВНІЧНЫХ ПАЎДЗЕЙ (JHUAPL / SWRI)

У нас ёсць мноства тэлескопаў, здольных бачыць неверагодна слабыя прадметы, але нам трэба ведаць, куды іх накіраваць. У нас ёсць мноства тэлескопаў, здольных здымаць вялізныя ўчасткі неба, але яны бачаць толькі яркія аб'екты; слабыя знаходзяцца недаступна. А для аб'ектаў у нашай Сонечнай сістэме, паколькі яны адлюстроўваюць сонечнае святло, а не выпраменьваюць самастойна выпрацаванае святло, іх не можа заўважыць ні адзін сучасны тэлескоп, калі яны размешчаны за пэўнай адлегласцю.

Як і ва ўсіх справах, сканаванне мы можам зрабіць магутным, цікавым і пазнавальным. Ён выявіў тысячы і тысячы аб'ектаў у нашай Сонечнай сістэме: ад планеты да луны да астэроідаў, да аб'ектаў пояса Койпера і шмат іншага. Але па меры паляпшэння тэхналогіі тэлескопа і асвятлення неба мы бачым толькі больш дробныя, слабыя і больш аддаленыя аб'екты. Мы націскаем мяжы, але ніколі не здымаем іх. Навука аб астраноміі - гэта гісторыя адступлення гарызонтаў. Але незалежна ад таго, наколькі глыбока мы ідзем, заўсёды будзе мяжа таго, што мы можам назіраць.

Дасылайце пытанні, якія задаюць Ітана, на startwithabang па адрасе gmail dot com!

Цяпер пачынаецца з выбуху на Forbes, і апублікаваны на Medium дзякуючы нашым прыхільнікам Patreon. Этан з'яўляецца аўтарам дзвюх кніг "За межамі Галактыкі" і "Трэкнологія: Навука пра зорны шлях" ад трыкутнікаў да "драйву".