能否看清星球的表面,关键因素在于星球与我们之间的距离。然而,当我们提及 “星球表面” 时,这一概念其实存在一定的模糊性。
例如,月球算是星球吗?火星、木星、土星又是否属于星球范畴呢?太阳同样也被归类为星球。实际上,通过大型天文望远镜,我们能够观测到这些星球的表面。
与此同时,“表面” 的定义也并不清晰。
究竟怎样才算看到了星球的表面呢?看到一个球面是否就意味着看到了星球的表面呢?如果这样算的话,前面所提到的那些星球都可以被认为是看到了表面。但倘若要求看清星球上一颗砂砾的模样,目前还没有任何望远镜能够做到这一点,即便是距离我们相对较近的月球表面,也无法清晰地看到上面的砂砾。
这就如同我们在地球上观察物体一样,我们可以看到几十公里外的一座山,能看到 10 公里外的一棵大树,也能看到几公里外的一座高楼。
然而,我们能看清 10 米远的一只蚂蚁吗?能看到手掌上的一个细菌吗?人眼能否看到物体,是由物体的光度、大小以及远近共同决定的。物体越大,我们能在越远的距离看到它;物体离我们越近,我们就能看得更清楚一些。不过,这里的大和小、远和近都是相对的,其关键还在于我们眼睛视角的极限。
人眼能够看到物体,是因为物体发出了光。物体越亮,我们就能在越远的距离看到它,即便无法看到物体的具体形状,也能看到它发出的亮光。人眼中的感光细胞,只能感知可见光。可见光仅仅是电磁波谱中的一小段波段,其波长范围在0.38至0.76微米之间。
人眼的分辨率,与可见光的波长以及眼睛的结构有着密切的关系。我们知道,一个完整的圆圈是360度(°),1度是60角分(′),1分是60角秒(″)。
根据教科书的表述,人眼的最小分辨角(角分辨极限)为:U=0.610×λ/R=0.610×(5.5×10~(-4)/1) =3.35×10~(-4)rad=1.15′≈1′。在这个公式中,R表示人眼瞳孔在正常照度(约50勒克司)下的半径,大约为1毫米;λ是光波中人眼最为敏感的黄绿光的波长,为5.5×10^-4毫米。
这表明,人眼识别物体的最小分辨角约为1'。这也意味着,距离人眼越近的物体,进入人眼的角度就越大;而距离越远的物体,进入人眼的角度就越小,当距离足够远时,物体进入人眼就没有角度了,自然也就无法看到了。
人类的眼睛只能看到视角为1′大小的物质,那么这个物体实际有多大呢?
科学上定义了一个明视距离,即正常人的眼睛观察近处小物体时最方便、最习惯的距离,这个距离大约为25厘米。在这个距离下,人眼能够看清相距0.073毫米的两个物点,这便是人类正常眼睛的分辨极限。如果距离再远一些,这相距0.073毫米的两个物点就无法区分了。对于较大的物体也是如此,当距离达到一定程度时,就无法分辨出它的表面了。
为了弥补人眼视距的不足,人类发明了望远镜。这些望远镜在人类观测远方的事物以及天体方面发挥了巨大的作用。天文望远镜的口径在很大程度上决定了它的极限分辨角(此外,观测波长也是一个影响因素)。具体来说,我们可以通过以下公式来计算所需的口径:
1.22×波长×距离/观测物体长度。
举个例子,如果我们想要观测到距离我们4.2光年外的比邻星b表面上一个直径100公里的物体,那么天文望远镜的口径就需要达到242公里。而如果想要看清比邻星b上面是否存在生物,所需望远镜的口径则要远远大于242公里。对于光学望远镜而言,要做到直径上百公里几乎是不可能的,即便即将建成的最大光学望远镜,其直径也仅仅只有39米。
宇宙中的天体距离我们实在是太过遥远了,除了太阳系以内的天体,最近的恒星系统距离我们都在4光年以上。使用目前最大的望远镜,也无法将这些天体放大到人类眼睛能够接受的视角,也就是无法达到1角分,所以人们通常只能看到一个亮点。
当我们观察天体时,如果能够看到一个圆面,那就说明这个天体进入人类视网膜时是有一定角度的,也就意味着我们在一定程度上看到了这个天体的表面。如今,即便是使用最强大的望远镜,我们看到的恒星大多也只是一个亮点。据了解,只有参宿四能够被观测到一个圆面。这是因为参宿四体积巨大且亮度极高,它的直径约为太阳的近千倍,亮度更是太阳的10多万倍,并且它距离我们仅640光年。
虽然我们无法看到恒星的圆面,但由于一些天体亮度极高、能量巨大,它们发出的光芒能够传播到非常遥远的地方。借助引力透镜的放大效应,人类已经能够观测到100多亿光年外的星系或天体。科学家们通过研究这些天体的光变以及射线,就能够了解到天体的一些基本情况。
目前,人类还无法直接看到太阳系外的任何一颗行星,只能通过凌日遮光和引力摄动等方法来发现并研究这些天体。随着科技的不断进步,我们期待未来能够拥有更强大的观测工具,从而更深入地探索宇宙中那些神秘的星球表面。