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望遠(yuǎn)鏡的分辨率是指什么

中科院半導(dǎo)體所 ? 來源:萬象經(jīng)驗(yàn) ? 作者:Eugene Wang ? 2022-09-26 10:50 ? 次閱讀

分辨率是指,分辨從不同角度射來的光的能力,所以望遠(yuǎn)鏡的分辨率其實(shí)是角分辨率。假如我們?cè)诘厍蛴^測(cè)天空中相近的兩顆星星,如果用肉眼觀察,也許只能看到一顆星星, 因?yàn)槿搜劢欠直媛什蛔悖煤线m的望遠(yuǎn)鏡你可以觀測(cè)到兩個(gè)物體。簡而言之,分辨率就是小視場(chǎng)角下分辨物體的能力,能觀察到的分離角越小, 分辨率也就越高。

過去的學(xué)者已經(jīng)總結(jié)了這個(gè)分離角以及觀測(cè)時(shí)的光的波長還有望遠(yuǎn)鏡直徑之間的關(guān)系,可以用一條簡單公式來描述這種關(guān)系:poYBAGMxFASAYj7qAAAHMV3K3hk755.jpg

最小間隔角度 (θ) 等于一個(gè)常數(shù)乘以光的波長, 再除以望遠(yuǎn)鏡直徑。公式中的常數(shù)決定于能接受兩個(gè)物體之間光照強(qiáng)度下降多少,一個(gè)廣為接受的標(biāo)準(zhǔn)是瑞利極限。這個(gè)極限下,強(qiáng)度衰減約為26%。如果采用瑞利極限作標(biāo)準(zhǔn), 常數(shù)K就等于1.22。我們嘗試進(jìn)行一個(gè)計(jì)算,如果望遠(yuǎn)鏡直徑 200mm,而且觀測(cè)的是可見光譜, 波長就大概是0.5 μm,那么分離角大概是 3x10^-6 弧度,這真的非常小。

明白了這個(gè)理論,我們?cè)賮砜纯此膶?shí)際應(yīng)用:接下來會(huì)比較幾個(gè)星體在不同望遠(yuǎn)鏡下的觀測(cè)結(jié)果。第一臺(tái)是1000mm直徑的小觀測(cè)站的望遠(yuǎn)鏡,然后 200mm直徑的業(yè)余愛好望遠(yuǎn)鏡,第三個(gè)是24mm微型望遠(yuǎn)鏡。它們都會(huì)看向距離2角秒的足夠遠(yuǎn)的兩個(gè)星體,1000mm望遠(yuǎn)鏡下看起來就是兩個(gè)小點(diǎn),200mm望遠(yuǎn)鏡也差不多,但是點(diǎn)變大了不少,最后24mm望遠(yuǎn)鏡只能觀測(cè)到一個(gè)模糊的大白點(diǎn),根本沒法看出來這其實(shí)是兩顆星星。

觀測(cè)太陽系中不同星球的表面也會(huì)受到同樣的影響。比如,24mm微型望遠(yuǎn)鏡下觀測(cè)木星,木星的衛(wèi)星已經(jīng)消失而且木星的大紅斑也不怎么看的清。土星也一樣,不管放大多少倍小望遠(yuǎn)鏡只能看到一團(tuán)糊。如果不是知道土星有環(huán),你大概還在猜測(cè)它到底是什么形狀。總結(jié)一下, 對(duì)于望遠(yuǎn)鏡來說,直徑確實(shí)重要,大望遠(yuǎn)鏡不僅通光量更足能看到暗物體,而且理論上角分辨率比小望遠(yuǎn)鏡好的多。

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為什么會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象?一個(gè)通常解釋是光是一種波,以惠更斯-菲涅耳原理傳播,就是解釋衍射現(xiàn)象的那個(gè)原理。惠更斯原理指出,對(duì)于波的傳播,波面上的每一點(diǎn)都是新的次級(jí)波面的波源。但惠更斯原理只描述了波的行為,卻完全沒有說明為什么會(huì)這樣。

如果真的想明白根本原因,還得看能量交換。仔細(xì)回想一下波出現(xiàn)的場(chǎng)景,你會(huì)發(fā)現(xiàn)總是有連續(xù)完整的從某種形式的能量到另一種形式能量的轉(zhuǎn)移。比如說經(jīng)典的單擺模型,它做簡諧運(yùn)動(dòng)來源于它的動(dòng)能和勢(shì)能之間來回的轉(zhuǎn)換。對(duì)于水面上的波也一樣,可以用動(dòng)能產(chǎn)生水波,這個(gè)動(dòng)能會(huì)和表面張力進(jìn)行來回的轉(zhuǎn)換,這個(gè)過程發(fā)生在水面的每一個(gè)點(diǎn)上。

動(dòng)能和表面張力的天然特性表明,如果沒有物理邊界,我們就困不住波。的確,在一個(gè)通道中我們可以創(chuàng)造平直向前的波面,但是邊界一旦消失,能量就會(huì)向波面以外的地方傳播,因?yàn)楸砻鎻埩?huì)沿表面向四面八方傳播。本質(zhì)上,惠更斯原理不是指波面的每一個(gè)點(diǎn)會(huì)創(chuàng)造新的波,而是波面上每個(gè)點(diǎn)都會(huì)向它的臨近處傳播能量。

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現(xiàn)在,如果我們用0.3mm直徑的顯微鏡做個(gè)實(shí)驗(yàn),我們會(huì)發(fā)現(xiàn)圖像邊緣有一圈圈漣漪,這是衍射所造成的。所有這些漣漪都會(huì)造成焦平面上清晰度的下降。

現(xiàn)在,詹姆斯·韋布望遠(yuǎn)鏡成為了科學(xué)界焦點(diǎn)。它最大直徑長達(dá)6.6m,比哈勃望遠(yuǎn)鏡2.4米要大的多。但是有一點(diǎn)不同,韋布望遠(yuǎn)鏡是分塊的,每塊之間的間隔比光的波長要大的多。剛開始我很擔(dān)心這些間隔,因?yàn)槊總€(gè)間隔都會(huì)讓能量向錯(cuò)誤方向傳播,在波面上造成漣漪。但使用一些干涉特技, 很明顯可以繞過這種現(xiàn)象,讓分辨率仍然只決定于直徑的總大小。綜上,這讓韋布望遠(yuǎn)鏡的分辨率變成了哈勃的2.7倍。

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韋伯望遠(yuǎn)鏡分辨率的主要挑戰(zhàn)其實(shí)還是在于它的目標(biāo)光譜。再看一下上面分辨率的公式,波長也很重要。韋布望遠(yuǎn)鏡將會(huì)觀測(cè)紅外光譜,也就是比可見光波長更長的光。由于宇宙膨脹,要想看得更遠(yuǎn),所使用的波長就會(huì)越長。而根據(jù)公式,這會(huì)造成分辨率下降。



審核編輯:劉清

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原文標(biāo)題:望遠(yuǎn)鏡的分辨率:波長與直徑

文章出處:【微信號(hào):bdtdsj,微信公眾號(hào):中科院半導(dǎo)體所】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。

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