Jakie szczegóły widzi Hubble na Marsie?

22

Badam scenę do powieści science fiction, w której bohaterowie w niedalekiej przyszłości obserwują Ziemię za pomocą zamontowanego na stacji teleskopu na orbicie Marsa. Moim celem jest zrozumienie, jak wiele szczegółów mogliby dostrzec.

Teleskop Hubble'a jest prawdopodobnie rozsądnym porównaniem do moich celów. Znalazłem zdjęcia wykonane przez Hubble'a z Marsa podczas zbliżania się, ale nie wiem, czy reprezentują one najlepszą możliwą rozdzielczość, czy po prostu rozdzielczość wybraną lub dostępną w tym czasie, a nawet jeśli cała planeta została zobrazowana na wyższej rozdzielczość niż zdjęcie opublikowane w popularnych mediach.

Czy teleskop podobny do Hubble'a może obserwować znacznie więcej szczegółów niż pokazano w poniższym artykule? Jeśli tak, to co można rozsądnie rozwiązać? Duże miasta? Pojedyncze budynki?

Z Hubble'a Vox.com można zobaczyć galaktyki niemożliwie daleko. Oto, co dzieje się, gdy spojrzy na Marsa i Saturna.

Mars, ASA, ESA i STScI

powyżej: przycięte z Source NASA, ESA i STScI

Mars, NASA / Hubble

powyżej: Wykadrowane z Source NASA / Hubble

Eric J.
źródło
11
Po pierwsze, musisz zrozumieć, że powiększenie nie jest tym, o co chcesz zapytać, ale rozdzielczością kątową.
AtmosphericPrisonEscape
11
Włączyłem obrazy do pytania, ponieważ z czasem linki się psują (popularne strony przenoszą lub archiwizują stare artykuły), a następnie pytanie staje się nieważne. W ten sposób przyszli czytelnicy będą mogli zobaczyć, o czym mówią zdjęcia. Są też naprawdę piękne!
uhoh
1
Rozdzielczość obrazów publicznych wydaje mi się odpowiednia. Jestem pewien, że więcej szczegółów można wydobyć poprzez ciężkie przetwarzanie, ale to również powoduje tworzenie artefaktów.
Florin Andrei
1
@ Tim Ogólnie obrazy z NASA są ogólnie dostępne do publicznego użytku, ale nie znam dokładnej licencji. Sama polisa jest prawdopodobnie znacznie starsza niż cc by-sa i może zostać ustanowiona przez prawo USA w ramach mandatu finansowego. Z pewnością można to sprawdzić w Internecie. spacetelescope.org/copyright Jeśli jest coś więcej do omówienia, być może jest to dobry temat na meta pytanie.
uhoh
1
W przypadku, gdy trzeba opisać skalę tego teleskopu w kategoriach ludzkich, przydatna grafika z Wikipedii.
biskup

Odpowiedzi:

34

Zapomnij o powiększeniu. Ludzie znający teleskopy nie myślą w kategoriach powiększenia. Liczy się rozdzielczość kątowa lub moc rozdzielcza: rozmiar kątowy najmniejszych detali, które można zobaczyć w instrumencie.

Ogólna zasada: moc rozdzielcza teleskopu o średnicy 10 cm wynosi 1 sekundę łukową przy zastosowaniu światła widzialnego. Liczby są odwrotnie proporcjonalne. Teleskop 20 cm rozpoznaje detale o wielkości 0,5 sekundy łukowej. Teleskop 1 metr rozwiązuje 0,1 sekundy łuku.

Hubble ma aperturę (średnicę) 2,4 m, więc jego zdolność rozdzielcza wynosi 0,04 sekundy łukowej.

Minimalna odległość między Ziemią a Marsem wynosi około 55 milionów kilometrów i zdarza się to bardzo rzadko. Maksymalna odległość wynosi 400 mil km. „Średnia” odległość wynosi 225 mil km (ale rzeczywista odległość zmienia się cały czas).

Zastosujmy styczną 0,04 sekundy łukowej na 55 mil km:

https://www.wolframalpha.com/input/?i=tan(0.04+arcseconds)+*+55000000

To 10 km. Będzie tylko w stanie zobaczyć główne cechy geograficzne.

Aby zobaczyć budynki (do skali 10 m), potrzebowałoby 1000-krotnego zwiększenia rozdzielczości. Oznacza to aperturę 2,4 km. Żadna z klasycznych konstrukcji teleskopów tego nie zapewnia. Musiałby to być jakiś projekt interferometryczny - duże, płaskie pole, w którym kilka lusterek jest umieszczonych w odległości kilku kilometrów od siebie i są sprzężone optycznie, aby funkcjonować jako pojedyncze ogromne lustro (cóż, w pewnym sensie - jest to bardziej intuicyjne wyjaśnienie).

Byłby podobny do interferometru optycznego Navy Precision w pobliżu Flagstaff w Arizonie.

NPOI

Niektóre z szerokich, płaskich części Valles Marineris mogą stanowić dobrą lokalizację dla interferometru. Acidalia Planitia zapewniłaby jeszcze więcej miejsca do budowy ogromnych interferometrów i powinna być dobrym miejscem do budowania struktur w ogóle - od płaskich po horyzont; to miejsce, w którym większość książki / filmu Marsjanin opowiedziała swoją historię. Ale każde duże, względnie płaskie pole działałoby.

Wszystkie powyższe zakłada odległość najbliższego zbliżenia Ziemi do Marsa. W praktyce odległość jest większa, więc apertura musi się zwiększyć. Zastanawiasz się nad interferometrem o podstawie kilkudziesięciu kilometrów, jeśli chcesz rozróżnić konstrukcje, takie jak budynki.

Można sobie wyobrazić, że interferometr może być wbudowany na orbicie, ale należy zadbać o zachowanie odległości między zwierciadłami z niezwykłą precyzją. Na powierzchni planety ziemia zapewnia wymaganą sztywność. W kosmosie musisz ... Nie wiem, użyj magii kosmicznej.

Florin Andrei
źródło
4
Dzięki, to cudownie szczegółowa odpowiedź. Fabuła nie zależy w żaden sposób od oglądania małych obiektów, więc pójdę z możliwością rozwiązywania głównych cech geograficznych. Dokładam wszelkich starań, aby nauka znalazła się w moich powieściach i bardzo doceniam twoją pomoc!
Eric J.,
2
@EricJ. - w porządku, wtedy teleskop orbitalny zadziałałby. Powodzenia w projekcie!
Florin Andrei
1
@ PM2Ring. Rzeczywiście odwołuję się do historii Olympus Mons. W tej scenie stacja orbitalna (wokół Marsa) straciła kontakt z ziemią w kilka tygodni po inwazji kosmitów. Rolą teleskopu w tej scenie jest podkreślenie desperacji w związku z wiadomościami z domu. W rzeczywistości nic im nie mówi, ale chcę dokładnie opisać to, co widzą. Działa dobrze do celów fabularnych, że mogą zobaczyć tylko główne elementy geograficzne. Dzięki za myśl!
Eric J.
1
@ChrisStratton To nie jest tak, że teleskop musi być na orbicie, ale że ludzie się tam znajdują. Z tego co wiem, marsjańska atmosfera jest tak cienka, że ​​nie powinna mieć większego wpływu na astronomię obserwacyjną. Podejrzewam, że mogliby zbudować duży teleskop na powierzchni (np. Na Olympus Mons, jak zasugerowano powyżej), mając wystarczająco dużo czasu, ale historia poprowadzi ich w innym kierunku.
Eric J.
3
Zamiast patrzeć na szczegóły obrazu, takie jak budynki, twoje postacie prawdopodobnie patrzą na takie rzeczy, jak nocne wzory oświetleniowe (normalne, nieobecne, nagłe rozbłyski z niepokojącymi widmami), prawdopodobnie zakłócone wzorce pogodowe, rozmowy radiowe (normalne, nieobecne, nigdy wcześniej widoczne modulacje) i tak dalej. To prawie problem SETI, ale teraz z trzema opcjami - znajomy, nic, nieznany
Chris Stratton
10

Kosmiczny teleskop Hubble'a ma zwierciadło 2,4m i jest dość dużo dyfrakcji ograniczony, więc w przedziale długości fal bliskiej UV powiedzmy 240nm ma rozdzielczość kątową około radianach. Najbliższa odległość Marsa od Ziemi107wynosi około 54,6 miliona km, więc teoretyczna minimalna rozdzielczość wynosi między 5 a 6 km. Tak duże miasta mogą być widoczne, jeśli mają duży kontrast. Ponieważ przy najbliższym podejściu obserwator na Marsie patrzy prosto na nocną stronę Ziemi, dobrze oświetlone miasto może być łatwe do zauważenia, z drugiej strony patrzą też mniej więcej prosto w Słońce, co może dać trochę problemy. Nadal będą chwile, gdy odległość będzie wynosić tylko 70 lub 80 milionów km, a kąt od Słońca jest łatwiejszy do opanowania, więc rozdzielczość 10 km w UV, 20 w świetle widzialnym jest wiarygodna.

Steve Linton
źródło
1
Nie jest dla mnie jasne, czy minimalna odległość Ziemia-Mars pokrywa się z tranzytem Ziemi nad dyskiem słonecznym widzianym z Marsa. Ponieważ orbity nie są dokładnie współpłaszczyznowe, przypadek nie jest gwarantowany - przynajmniej taka jest moja intuicja. Mogę się mylić.
Florin Andrei
2
@Florin Dobra uwaga. Najbliższe podejście występuje, gdy Mars jest w opozycji, ale może to nie być tranzyt. Założę się, że Meuss mógłby nam powiedzieć ...
PM 2,
@FlorinAndrei Płaszczyzny orbit planet są dość pochylone względem siebie (kilka stopni) - są dalekie od współpłaszczyzn. Biorąc pod uwagę niewielki rozmiar kątowy Słońca (0,5 ° od Ziemi POV) i ogromne odległości, transfery są w rzeczywistości dość rzadkie. Tranzyty Ziemi, widziane z Marsa, zdarzają się tylko kilka razy w ciągu stulecia!
Oscar Bravo