这个问题涉及光学系统的极限角分辨率。我们可以用肉眼看到距离地球200多万光年的星系,但我们看不到距离我们只有一公里的蚂蚁,距离我们只有几千光年的系外行星,更不用说系外行星上是否有生命。
天文望远镜能看到多远的物体不仅取决于距离,还取决于其大小。虽然有些物体距离很远,但只要它们足够大,望远镜就能观测到它们。虽然有些物体距离很近,但它们太小,无法用望远镜分辨。
为了测量物体看起来有多大,需要引入视直径或分辨率角Δφ,如下图所示:
根据三角函数,可以得到以下关系:
结合距离和实际大小的因素,分辨率角度可以测量物体的大小。对于任何光学系统,如天文望远镜和眼睛,都有一个最小的分辨率角。一旦观察对象的分辨率角度小于此限制,光学系统将无法区分细节,并且观察对象将看起来仅是像素。根据瑞利准则,光学系统的极限分辨角取决于孔径:
在上式中,λ表示入射光的波长。
哈勃太空望远镜是一台光学望远镜。它在550nm波段是最灵敏的。主镜孔径为2.4米,因此哈勃望远镜可以分辨出1.6×10^-5度的最小角度,而人眼的极限通常为1角分(1/60度)。
尽管一些遥远的星系位于数亿甚至数百亿光年之外,但它们的大小可以达到数万至数十万光年,因此它们的视直径超过了哈勃的极限分辨率,哈勃完全有能力分辨它们。由于距离的关系,来自遥远星系的光线在到达地球时变得非常暗淡。哈勃望远镜需要长时间曝光才能看到它们。
另一方面,虽然系外行星距离地球不远,最近的邻居b距离我们只有4.2光年,但由于行星太小,它们的视直径远小于哈勃的最终分辨率角度,因此无法看到它们的细节。基于以上两个公式,从计算中可以看出,区分邻近恒星b所需的望远镜孔径(可能与地球大小差不多)将高达36.5米,远超哈勃望远镜的口径。只有未来口径为39.3米的西方帝国Max望远镜才能看到它。然而,由于系外行星的视直径太小,我们不能指望望远镜能看到像太阳系行星一样的系外行星。
如果系外行星上有生命,因为地外生命的大小远小于行星,通过光学望远镜观测就更不可能了,即使是西方帝国的巨型望远镜也无能为力。除非这些行星上生活着先进的外星文明,并且它们会发出足够能量的无线电波,否则人类就有可能使用射电望远镜探测外星文明的存在。
待续......
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