Warum ist es schwierig, mit einem Hightech-Weltraumteleskop ein qualitativ hochwertiges Bild von weit entfernten Objekten (wie Pluto) aufzunehmen?

Ich denke, viele Leute sehen diese wunderschönen Fotos von fernen Galaxien mit feinen Details auf Staubbahnen und Spiralarmen und nehmen an, dass es einfach wäre, Pluto zu sehen, da sie so weit entfernt sind. Aber obwohl diese Galaxien weit entfernt sind, sind sie auch riesig .

Das (relative) Detail, das in einem bestimmten Teleskop gesehen werden kann, ergibt sich aus der Größe des Objekts dividiert durch die Entfernung vom Teleskop. Mit anderen Worten, die Winkelgröße am Himmel.

Vergleichen wir die Winkelgröße einer fernen Galaxie mit Pluto. Eine schöne Spiralgalaxie (wie unsere) hat eine Ausdehnung von etwa 100.000 Lichtjahren. Wir werden es alt machen und es 10 Milliarden Lichtjahre entfernt platzieren. Wie groß ist es in einem Teleskop?

Nun, wie weit können wir Pluto sehen? Er hat einen Durchmesser von etwa 2400 km und ist am weitesten von der Erde entfernt in einer Entfernung von etwa 48 AE. Es hat also eine Winkelgröße von

Dies bedeutet, dass Pluto im Vergleich zu einer unscharfen fernen Galaxie etwa 3 Größenordnungen weniger Winkelbereich am Himmel abdeckt. Kein Wunder, dass es schwieriger ist, sich das vorzustellen.

Außerdem stoßen Sie bei diesen Winkelskalen auf die Beugungsgrenze . Für sichtbares Licht und für eine Blende von der Größe von Hubble können Sie nicht erwarten, Merkmale aufzulösen, die deutlich kleiner als etwa sind$2.5 \times 10^{-7}$Bogenmaß, was mit der Winkelgröße von Pluto selbst vergleichbar ist. Um es aus der Erdumlaufbahn besser zu machen, müssten Sie einen viel größeren Spiegel bekommen.

Wenn Sie sich dieses Bild der NASA ansehen, das das extreme Tiefenfeld von Hubble zeigt:

bei voller Größe (976 Pixel breit), dann ist nach meinen Berechnungen der am stärksten gezoomte Teil oben rechts ungefähr$2.5 \times 10^{-7}\thinspace\mathrm{radians/pixel}$. In einem solchen Bild wäre Pluto nur etwas größer als 1 Pixel.

Distanz. Größe des Ziels. Seine schlechte Albedo in einer solchen Entfernung zu seiner einzigen Lichtquelle, der Sonne, im Vergleich zu näheren Himmelskörpern. Und die Bewegung des Ziels und des Aussichtspunkts in ihren Umlaufbahnen verhindert fortschrittliche Bildinterpolationstechniken, die mehrere Beobachtungen derselben Seite von Pluto bei denselben Lichtverhältnissen kombinieren.

Pluto ist derzeit 31,9 AE (astronomische Einheiten, 1 AE ist die durchschnittliche Entfernung zwischen Erde und Sonne) von der Erde entfernt, wo das derzeit räumlich hochauflösende orbitale optische Teleskop, das Hubble Space Telescope (HST), um ihn herum kreist. Mit anderen Worten, Pluto ist fast 32-mal weiter von uns und dem Hubble entfernt als die Sonne:

   ^{Entfernung zu Pluto maßstabsgetreu. Bildquelle: Solar System Scope , unter Verwendung eines realistischen (Nicht-Orrery-) Modells und maßstabsgetreuer Größen}

Der hochauflösende Imager von HST, die Faint Object Camera der ESA, hat eine räumliche Auflösung von 0,0072 Bogensekundenpixeln und kann aus einer solchen Entfernung etwa 16x16 Pixel große Bilder von Pluto erzeugen:

   ^{Ansichten der ESA Faint Object Camera von Pluto und berechnete Interpolationen (Credit: ESA)}

Natürlich sind selbst diese 16x16 Pixel stark von der Rayleigh-Grenze der Cassegrain -Optik von HST betroffen , aber ich erspare Ihnen technische Details. Der Punkt ist, dass wir für etwas Besseres als das, was HST produzieren kann, entweder ein noch größeres Teleskop als das Hubble benötigen würden, oder was wir mit New Horizons getan haben, kleinere Teleskope viel, viel näher an ihr Ziel bringen.

Ist das Bild, das Sie Ihrer Frage anhängen, wirklich von schlechter Qualität? Es löst Features mit einem Durchmesser von weniger als 1,6 km auf. Und es wurden auch andere Bilder mit einer Auflösung von bis zu 70 Metern im Durchmesser aufgenommen. Wir müssen nur auf sie warten. Mit einer Übertragungsrate von ~ 2 kb/s wird es fast anderthalb Jahre dauern, bis er alle Daten, die er während des Vorbeiflugs aufgenommen hat, zur Erde zurücksendet.

Um wirklich hochauflösendes Material zu erhalten, müssen Sie die Atmosphäre verlassen. Das beste Instrument dafür ist das Hubble-Weltraumteleskop. Die Auflösung von Hubble beträgt etwa 0,05 Bogensekunden. Pluto ist derzeit etwa 3,5 Milliarden Meilen entfernt. Das ergibt eine Auflösung von 850 Meilen oder so. Dies wird durch die Größe des Spiegels begrenzt, den Hubble hat, der etwa 2 m breit ist. Das ist alles sehr grob, wohlgemerkt. Pluto ist ein ziemlich kleines Objekt von 1470 Meilen, mehr oder weniger. Pluto ist also nur wenige Pixel von Hubble entfernt. Dies wurde weiter von der Planetary Society erklärt .

Das absolut beste Bild, das vor New Horizons entstand, entstand durch langes Beobachten von Pluto und einige sehr komplexe Dinge, um auf Folgendes zu kommen :

Alles in allem habe ich gehört, dass Hubble Pluto bis 9 Tage nach der engsten Annäherung besser abbilden könnte als New Horizons. (Obwohl das mit dem Superauflösungsbild ist, wie Emily Lakdawalla betont , begann es eigentlich Anfang dieses Jahres. Die Superauflösung mit Hubble ist einfacher, weil wir mehr Daten davon haben und genauere Daten.) Und das meiste davon Die Bilder, die wir bisher gesehen haben, stammen aus der Zeit vor dieser Zeit. Selbst dann, während einige der Merkmale des Hubble-Komposits sichtbar sind (insbesondere das Herz), sind die Details für New Horizons seit einigen Tagen besser.

Die Bilder, die aufgenommen wurden und bald zur Erde gesendet werden, haben eine viel höhere Auflösung als das, was bisher gesehen wurde. Es wird bis zu 18 Monate dauern, um alle Daten vom Vorbeiflug auf den Boden zu bringen. Einige der hochauflösenden Bilder werden bereits angezeigt, weitere werden folgen.

Die Zusammenfassung lautet: Ja, wir haben erstaunliche Kameras in der Nähe der Erde, aber die Entfernung zu Pluto ist astronomisch, sodass ein Raumschiff in die Nähe geschickt werden muss, um ein gutes Bild zu erhalten.

Um einige bereits großartige Antworten zu ergänzen, möchte ich die grundlegende Physik der Fotografie einbringen, die Sie hier auf der Erde erleben können.

Wenn Sie etwas fotografieren, sammeln Sie Informationen in Form von Licht, das davon reflektiert wird. In einer hellen, gut beleuchteten Umgebung, in der Sie aus nächster Nähe fotografieren oder ein riesiges Objektiv haben, können Sie genug Licht sammeln, um die Details des Bildes in Sekundenbruchteilen sichtbar zu machen. Wenn Sie bei schwachem Licht fotografieren, muss die Blende der Kamera länger geöffnet bleiben, um genügend Licht zu sammeln, damit die Details erkennbar sind (denken Sie als einfaches Beispiel daran, wie lange es dauert, bis sich Ihre Augen an schwaches Licht gewöhnt haben genug für Sie um darin gut sehen zu können - stellen Sie sich vor, ein Kameraverschluss müsste so lange offen bleiben, um so viel Licht zu sammeln, um auch klar sehen zu können), also muss das aufgenommene Objekt während dieser Zeit vollkommen ruhig bleiben, sonst wird das Bild verschwommen . Der gleiche Effekt tritt auf, wenn Sie

Mit Pluto kombinieren wir diese beiden Probleme, extrem schwaches Licht und extrem große Entfernungen. Wir erhalten hier auf der Erde so wenig reflektiertes Licht von Pluto, dass es ohne hervorragende Optik nicht einmal sichtbar ist, und dann praktisch nur noch als Lichtfleck. Um ein Bild mit "höherer Auflösung" von unserem Aussichtspunkt aus zu erhalten, müssten wir eine einzelne Belichtung von Pluto wochenlang oder länger machen (im Vergleich zu dem Bruchteil einer Sekunde, der zum Aufnehmen von Bildern hier erforderlich ist), aber mehr als das Im Laufe dieser Wochen umkreist die Erde die Sonne, Pluto umkreist die Sonne, Pluto dreht sich usw., so dass im Grunde nichts für Ihren Schuss stillsteht . Wir können dies in gewissem Umfang korrigieren, aber es ist immer noch in seiner Wirksamkeit begrenzt.

Es gibt nur zwei Lösungen. Bauen Sie ein größeres Teleskop, um mehr reflektiertes Licht in kürzerer Belichtungszeit zu sammeln, oder gehen Sie näher heran. Die Größe des Teleskops, die erforderlich wäre, um Bilder mit höherer Auflösung aufzunehmen, wäre enorm und weitaus weniger kosteneffektiv, als einfach eine Kamera auf eine Metallbox zu schrauben und sie so schnell wie möglich auf Pluto zu schleudern.

Entschuldigung an das Team von New Horizons für die erstaunliche Vereinfachung ihrer Mission ... Ich bin sehr beeindruckt von ihrer Arbeit.

Seit über vierzig Jahren sitzen auf dem Mond künstliche Objekte, die nicht gerade winzig sind, und er ist nur eine Viertelmillion Meilen entfernt, aber selbst unsere besten Teleskope waren nicht in der Lage, ein anständiges Foto von ihnen zu machen. Pluto ist zwischen zweieinhalb und viereinhalb Milliarden Meilen entfernt.