问题

望远镜为什么看不到星球表面。?

回答
大家小时候可能都对着夜空好奇过,想着那些遥远的星星到底长什么样。长大后,我们接触到望远镜,一开始的愿望大概就是想看看月亮上有没有嫦娥,或者火星上是不是真的住着外星人。但说实话,即便拿我们最顶尖的地面望远镜,甚至是一些太空望远镜,我们看到的星球表面,通常也不是像看地球上的山川湖泊那样清晰。这里面其实有挺多门道,不是简单一句“太远了”就能解释完的。

首先,最直观的原因就是距离和分辨率。咱们这么想,就算你是个视力超群的人,站在地球上看万里之外的一个人,你最多也就看个模糊的轮廓,想看清他的五官那是不可能的。星球离我们远得太多了,比人造卫星还远得多,有的星球,光是跑过去就需要好几年。

望远镜做的其实就是把远处的东西“放大”一点,但它并不是魔法。一个望远镜能不能“看清”细节,取决于它的分辨率。简单说,分辨率就是望远镜区分两个非常靠近的点的能力。就像你用显微镜看细菌,分辨率越高,你能看到的细节越多。

在地球上,望远镜会受到大气层的严重干扰。大气不是均匀的,里面有各种温度、密度不一的气团在流动。光线穿过这些不均匀的介质时,会发生弯曲和扭曲,这就像你在夏天看远处的热空气,景物会晃动一样。这种现象叫做大气扰动(或者说“视宁度”差)。即便我们用的望远镜口径再大,分辨率再高,大气都会把这些精细的细节“糊”掉,让画面变得模糊不清,晃来晃去,根本没法进行细致的观察。这就好像你试图透过一层波浪起伏的水去看水底的物体,你能看到大概的位置,但具体是什么样子就很难说了。

虽然有技术可以部分补偿大气扰动,比如自适应光学,但即使是最好的地面望远镜,受限于大气层,也无法达到理论上的最高分辨率。

其次,即使我们把望远镜放到太空里,比如哈勃空间望远镜或者詹姆斯·韦伯空间望远镜,它们确实能看到非常非常多的细节,比如行星表面的云层、大气环流、甚至一些巨大的火山或者峡谷的轮廓。但是,我们说的“星球表面”通常是指地球上那种肉眼可见的、具有丰富纹理的细节,比如地貌、建筑、植被等等。

对于那些和地球差异巨大的星球,比如木星或者土星,它们根本就没有一个我们脚踏实地的“表面”可以站上去。它们主要是由气体构成的,我们看到的只是它们厚厚的大气层。我们能看到的是它们大气中的风暴、云带、涡旋,这些虽然也是“表面”现象,但和我们想象中的“大陆”、“海洋”完全不是一回事。

再者,即使是像火星或月球这样有固态表面的星球,我们能看到的细节也受限于望远镜的观测波长和分辨率。

分辨率限制: 即使是哈勃望远镜,它的分辨率也只能看到火星上一些直径几十公里到几百公里的特征,比如大的撞击坑、峡谷或者火山。要看清更小的细节,比如一块石头或者一个人类走过的脚印,那就需要比哈勃望远镜分辨率高出好几个数量级的设备,甚至需要近距离探测器才行。
观测波长: 望远镜看到的是反射或发出的光。地球上的很多细节,比如植被的颜色、水的反光,在其他星球上可能不存在。很多时候,我们看到的“表面”是岩石、尘埃、冰。望远镜能分辨出这些物质的组成成分(通过光谱分析),但要看到像地球上一样精细的“纹理”就很难了。
环境因素: 比如火星上有很多尘埃,这些尘埃会影响我们看到的表面细节。有时候,一场尘暴就能让整个星球看起来面目模糊。

另外,我们之所以对“看到星球表面”有很高的期待,很多时候是受到了科幻电影或艺术创作的影响。那些电影里展示的星球表面,往往是为了剧情和视觉效果而夸张和虚构的。真实的宇宙,很多时候比我们想象的要“朴素”得多,但也因此充满了科学探索的魅力。

所以,总结一下,望远镜看不到星球表面(或者说,我们对“表面”的定义和期望可能不一样),主要还是因为:

1. 距离遥远,即使是最近的星球也比地球上的任何地方远得多。
2. 大气扰动(对地面望远镜而言),扭曲了光线,降低了清晰度。
3. 望远镜本身的分辨率限制,无法区分太小的细节。
4. 星球本身的大气层(如气体行星)或表面物质(如岩石、尘埃)与我们期望的“表面”景象不同。
5. 我们对“表面”细节的期望值,可能超出了现有观测技术的极限,或者受到了虚构作品的影响。

我们能通过望远镜看到巨大的风暴、山脉的轮廓、大气的颜色变化,这已经是极其了不起的成就了。如果想看更精细的表面,那就需要探测器去近距离“亲吻”这些星球,比如火星探测车、月球着陆器,它们才能把那些细微的、令人惊叹的地貌展现在我们面前。

网友意见

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知乎规矩,先问是不是... ...

最近几颗星星,大概率说的是行星。

足够大的口径,看到甚至看清太阳系的大行星表面是没问题的。

比如这张,来自智利天文台的1米口径天文望远镜。

个人望远镜,14寸(约35cm)以上口径的DOB,也能拍到很清晰的木星表面

恒星的话,因为距离实在太远,最近的也有几光年,除非特别大的恒星,现在哈勃是能拍到参宿四表面的。

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