Was wäre, wenn ein Teleskop auf der Erde durch ein Teleskop blickt, das die Erde umkreist, um das Bild zu veranschaulichen? Können Sie weiter oder klarer sehen?
Antworten
Um weiter zu sehen, müssen Sie dunklere Dinge sehen. Dies erfordert eine Objektivlinse oder einen Spiegel mit größerem Durchmesser. Eine längere Brennweite oder ein stärkeres Okular erschweren die Erkennung entfernter Objekte, da diese dunkler werden.
Um klarer zu sehen, benötigen Sie eine höhere Auflösung. Die Auflösung eines Teleskops wird auch durch den Durchmesser des Objektivs bestimmt. Eine längere Brennweite oder ein leistungsstärkeres Okular vergrößern nur ein verschwommenes Bild und zeigen keine zusätzlichen Details.
Dies war ursprünglich eine Antwort auf Jeffrey Philips Kommentar zu Robert Frosts Antwort, aber es wurde ausführlicher, sodass ich es herausbrachte. [Update: Ich bin rausgegangen und habe die Helligkeit des blauen Himmels gemessen, eine kleine Korrektur an den SNR-Zahlen unten vorgenommen und dann das Ausrichtungsproblem ausgefüllt.]
Der verschwommene Teil der Atmosphäre besteht größtenteils aus den unteren 800 Metern. Da der Hubble 559 km hoch ist, sind das die letzten 0,15 % des Weges. Das ist, als würde man den Körper einer Person betrachten, die aus einer Entfernung von 22 Fuß gegen ein 3/8 Zoll großes Stück Duschglas gedrückt wird.
Es ist wichtig zu verstehen, dass der Blick nach unten nicht dasselbe ist wie der Blick nach oben. Wenn Sie Ihr Auge an ein Stück Duschglas richten und versuchen, etwas in einer Entfernung von 22 Fuß dahinter zu sehen, werden Sie viel weniger auflösen als jemand, der Sie in 22 Fuß Entfernung ansieht. Dies liegt daran, dass das Duschglas bzw. die Atmosphäre die hindurchtretenden Lichtstrahlen durch eine bestimmte Winkelverteilung zufällig ablenkt. Diese Winkelabweichungen werden mit der Entfernung zum Ziel multipliziert, um die Unschärfe in Einheiten der Bodenprobenentfernung zu erhalten.
Es gibt noch einen weiteren Effekt, der den Blick nach unten noch effektiver macht als den Blick nach oben. Der Bodenprobenabstand (GSD, in diesem Fall 9,7 cm) ist viel kleiner als die Teleskopöffnung (240 cm). Stellen Sie sich den Kegel vor, der das Licht für ein Pixel vom Boden zum Hubble überträgt. Wenn Sie ihn nun umdrehen und versuchen, mit einem Hubble-Teleskop am Boden ein Bild vom Hubble zu machen (etwas, woran die Luftwaffe großes Interesse hat), werden Sie feststellen, dass sich in Ihrem Kegel viel mehr Atmosphäre befindet . Mehr Atmosphäre bedeutet mehr Schwankungen des Brechungsindex und damit eine stärkere Ablenkung des Lichts.
Die Unschärfe der Atmosphäre verteilt sich über die gesamte atmosphärische Säule und verwischt einen kleinen Teil des Lichts über eine sehr große Bodenentfernung und den größten Teil des Lichts über eine sehr kleine Bodenentfernung. Eine ziemlich gute Erklärung finden Sie unter Fernerkundung: Der Bildkettenansatz . Hier ist die Grafik, die ich aus diesem Buch kopiert habe. Wie der Autor (John R. Schott) betont, können Sie davon ausgehen, dass Sie ein ziemlich gutes Bild des Bodens erhalten, bis Sie eine GSD von etwa 2 cm erreichen – eine adaptive Optik ist nicht erforderlich. Modulation bezieht sich hier auf die Modulationsübertragungsfunktion , ein Maß dafür, wie viel von Ihrem Bild Sie erhalten, im Vergleich zu einem unscharfen Grauschleier (= 0 % MTF).
Diese Grafik zeichnet ein fröhliches Bild der bestmöglichen Bedingungen. Unter normaleren Bedingungen gibt es einen ziemlich starken Abfall der MTF, so dass atmosphärische MTFs unter 50 % liegen. Die Trübung sinkt offensichtlich auf Null, wenn auch nur eine dünne Wolke über das Ziel zieht, und die Turbulenzen sind viel höher, wenn man Wärmequellen wie Städte oder menschliche Aktivitäten betrachtet. Die MTF des Teleskops, die in dieser Grafik nicht dargestellt ist, hat eine ähnliche Form wie die „Turbulenz“-Linie oben. Bei Hubbles 9,7 cm GSD (5 Zyklen/m, rechts auf der Skala dieses Diagramms) liegt die MTF bei etwa 50 %.
Das Schöne an MTFs ist, dass man sie einfach miteinander multiplizieren kann, um das System-MTF zu erhalten (deshalb verwenden wir sie). Daher würde ich erwarten, dass der Hubble die MTF deutlich unter 25 % erreicht, wenn er die meiste Zeit 9,7 cm GSD auflöst. Ich würde mit 15 % rechnen.
Der zweite große Effekt der Atmosphäre ist Dunst. Wenn Sie nach unten schauen, sehen Sie den blauen Himmel, genau wie wenn Sie nach oben schauen. Sie können ziemlich genau erraten, wie viel Dunst vorhanden ist, und ihn von Ihrem Bild abziehen, aber es bleibt immer noch das Photonenschussrauschen des Dunstes übrig. Bei Dingen, die direktem Sonnenlicht ausgesetzt sind, ist das nicht so schlimm, aber bei Dingen, die im Schatten liegen, wird dieser Lärm die dominierende Lärmquelle sein.
Bei hellen Objekten wird die Belichtungszeit durch die Pixelsättigung begrenzt. Die CCD-Pixel des fotografierenden WFC3-Instruments können maximal 72.000 Elektronen aufnehmen. Wenn wir die Belichtung so anordnen, dass eine Oberfläche mit einer Strahlungsintensität von 200.000 Lux den Schacht ausfüllt (wodurch es möglich wird, eine Sättigung durch ein wenig Glanzlicht zu vermeiden, wie es bei einem flachen Stück Holz der Fall ist), dann wird der blaue Himmel bei 12.000 Lux sichtbar sein Füllen Sie 4.300 Elektronen in jede Vertiefung. Ein 18 % reflektierendes Objekt im 12.000-Lux-Farbton gibt 2.160 Lux zurück und gibt uns somit ein Signal von 778 Elektronen. Das Rauschen beträgt sqrt(4300+778)=71 Elektronen, das Signal-Rausch-Verhältnis beträgt also 11. Das Rauschen wird wie eine kaum akzeptable Handyaufnahme aussehen.
Wie mehrere andere Leute betont haben, ist das Leitsystem von Hubble darauf ausgelegt, es über lange Zeiträume mit ausgezeichneter Stabilität auf Sterne zu richten. Wenn wir Dinge auf der Erdoberfläche fotografieren wollen, müssen wir das Raumschiff während der Aufnahme drehen, um die Umlaufbewegung des Teleskops auszugleichen. Das ist per se kein Problem... viele erdorientierte Satelliten machen das ständig. Und tatsächlich verfügt Hubble über Software, um auf sich bewegende Objekte wie Kometen und Planeten zu zielen.
Allerdings nutzen die meisten zur Erde ausgerichteten Satelliten Kontrollmomentgyroskope zur Ausrichtung. Hubble verwendet Reaktionsräder . Der Unterschied besteht darin, dass Reaktionsräder einfacher und präziser sind und viel mehr Kraft zum Drehen des Fahrzeugs verbrauchen, sodass sie besser für astronomische Teleskope geeignet sind, bei denen während der Aufnahme keine Drehung erforderlich ist. Abhängig vom Bodenpunktziel müsste sich Hubble mit etwa 13 Millirad pro Sekunde drehen. Hubbles maximale Anstiegsgeschwindigkeit ist auf 1,75 Milliradiant/Sekunde begrenzt . Eine schnellere Drehung würde mehr Leistung für die Reaktionsradmotoren erfordern, was zu einer Überhitzung führen würde.
Schließlich befindet sich Hubbles Umlaufbahn in einem Winkel von 28,5 Grad zum Erdpol, was bedeutet, dass er keine Punkte überquert, die weiter als 28,5 Grad vom Äquator entfernt sind. Man konnte also keine Fotos von Europa, dem größten Teil Asiens, den USA, dem Irak oder Afghanistan machen, also den Orten, von denen die meisten Leute für Bilder bezahlen.
