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科学松鼠会

让我们剥开科学的坚果

 
 
 

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什么是科学松鼠会? 我们认为,对于部分人来说,科学就像一枚枚难以开启的坚果,虽味美却不易入口。 我们希望自己能够像松鼠一样,打开科学的坚硬外壳,将有营养的果仁剥出来,让人们能够领略到科学的美妙。 我们试图让科学传播并且流行起来。

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[What if]第32期——哈勃眼中的地球   

2013-06-14 14:21:39|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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本文作者:一起剥坚果

原作:http://what-if.xkcd.com/32/

译者:猪的米

What if 系列:http://songshuhui.net/archives/tag/what-if

如果把哈勃望远镜对准地球,它拍摄到的照片会有多清晰呢?—Kyle Rankin

回答

这是个很常见的问题。哈勃望远镜的控制人员们经常会被问到这个问题,而他们也在FAQ页面上做了回复,事实上哈勃望远镜窥视地球还是很频繁的。

但真正的问题在于哈勃望远镜的运行速度超过每秒7千米,再短的快门拍出来的照片也会糊掉。

这一点都不好玩。那我们有办法让它变正常吗?我决定深入研究下。

我们选取了一张普通的桌子当作拍摄对象:

hubble_normal

 

地球的大气层不会带来什么影响。事实上,相比起从太空看地球来说,从地球看太空时大气层才是个大问题。原因如下:

12190121_16977

 

哈勃望远镜是我们最好的可见光望远镜,但它的分辨率也是有极限的。位于凯伯带的冥王星所在的位置差不多就是能看清的极限了。我们所拥有的冥王星最棒的照片也是来自于哈勃望远镜,但这颗外行星在照片上仍然没比一团模糊的亮光好多少。

在这样的分辨率(0.05弧秒左右)以及离地约570千米的高度下,那张桌子看上去就像这样:

hubble_pluto

 

但由于哈勃望远镜运动的速度太快,即使最完美的照片也会变得模糊:

hubble_motion_1

 

综合以上两个因素,最终我们得到的照片会是这样:

hubble_motion_2

 

真是糟透了。

那我们能够通过转动哈勃望远镜来追踪地面,进而消除模糊吗?

哈勃望远镜通常会通过转动来跟踪目标,一般来说这些目标的距离足够远,我们可以认为它们是在无限远处。而望远镜上的自动视差算法无法处理距离小于10倍地月距离的目标的信息。当宇航员想让哈勃望远镜给月亮照个像时,他们需要发送指令手动转动望远镜,然后在手动控制过程中打开成像设备。

得到的效果仍然不甚理想。凭借现有的制导组件要在如此高的速度下移动哈勃望远镜是很不容易的,但得到的照片比你用裸眼看到的要好一点,但以哈勃望远镜的功力来评判这张照片仍然不够格。下面就是桌子的照片,照片的质量被消减了一点,这样就像给月亮照相时那样(因为月亮太近了。。。)。

hubble_moon

好消息是,月亮发出的光足够强,如果曝光时间很短的话就不会有什么问题。这张照片的曝光时间是0.5秒,这样就不必花大工夫去追踪物体。

但坏消息是,桌子在哈勃望远镜视线中的移动速度是月亮的600倍,要想拍摄桌子就不可避免地要对它进行持续追踪。

但是问题在于,桌子移动的速度其实并不快,一切都怪哈勃望远镜太磨蹭。要想追踪地面上的物体,它至多每秒需要转动不到1度。

但建造哈勃望远镜的目的不是用来追踪地球表面的物体的。哈勃的最大回转速度是一分钟两三度(和分针的速度差不多),而且即使这样的速度对于哈勃望远镜来说也太快了,它搭载的陀螺仪会导致望远镜发生振动,从而降低了成像质量。

显然,我们需要换掉哈勃望远镜自身的制导系统,换上我们特指的制导系统。哈勃望远镜的转动惯量和旋转木马差不多,现有的陀螺仪要想移动它太困难了,不过也不是办不到。有了我们的定制制导系统,它就能够追踪地面目标,并拍摄十分接近最佳质量的照片。

hubble_pluto (1)

 

但这不仅仅是个假设性的问题。

很多人相信现在军用间谍卫星上所有的大部分技术和用在哈勃望远镜上的差不多。这么说来,让哈勃望远镜对准地面上的目标不仅是可能的——而且这也是万恶的美帝国主义的惯用做法

关于本文

已发表于译言:http://article.yeeyan.org/view/235419/348263

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