Wie kommt es, dass das Hubble-Weltraumteleskop 13 Milliarden Lichtjahre in das Universum blicken und dennoch klare Bilder machen kann, aber kein einziges Nahaufnahmebild von anderen Sternen oder sogar Wasser auf anderen Exoplaneten machen kann?
Antworten
Ich denke, das ist das Alter des Universums, 13+ Milliarden Jahre, obwohl ich mich an die Lektüre erinnern kann, dass die bisher weiteste Entfernung etwa 80 Milliarden Jahre beträgt, was mir merkwürdig vorkommt, weil das Universum nur 13 Milliarden Jahre alt ist, oder ich einfach falsch oder falsch erinnern. Nur weil ich Ihnen diese oder jene Tatsache über die Fähigkeiten des Hubble sage, heißt das nicht, dass es sich um eine zutreffende Tatsache handelt, die zunächst wie ein Wortspiel erscheint. Typischerweise ist die Geschichte der Wissenschaft voller Fehlbezeichnungen aller Art, dieser Tatsache, dieser sogenannten Tatsache, und später, wenn ausgefeiltere Mess- oder Beobachtungsmethoden auftauchen, erweisen sie sich alle als falsch, und zwar im Großen und Ganzen. Auch heute noch, mit der Black-Hole-Theorie, meine ich wirklich, wer weiß, als ob es keine zusätzlichen Erklärungen für das Phänomen gäbe, dem Hawking Fleisch verleihen wollte. Und jetzt auch in anderen Bereichen. Und außerdem haben sie in den sehr alten Zeiten, zur Zeit der Griechen, ernsthafte Schätzungen für die Dimensionen des Sonnensystems angenommen, die einen zum Lachen bringen würden. Sie vergrößern ständig die Größe des Universums, die Entfernung zu Sternen und vieles mehr. Es ist alles nur eine akademische Übung. Sogar der japanische Wissenschaftler Kaku hat im Wesentlichen folgende Worte zugegeben: Was die Physik angeht, sind wir verloren … Der Kreis schließt sich und die moderne Sichtweise ist, dass wir uns selbst in die Enge getrieben haben. Schauen Sie sich diese Argumentation einmal kurz an: Wenn Sie die Größe nur dieses Bereichs der Milchstraße auf die Größe Asiens vergrößern, bräuchte man immer noch eine ziemlich gute Lupe, um die Erde zu finden, also haben Sie es damals nicht verstanden, jetzt vergleichen Sie die Größe eines Nadelstichs, und sie ist tatsächlich kleiner, für den Rest da draußen, den Rest des Universums, das im Wesentlichen endlos ist, und es könnte endlos sein. Bedenken Sie nun Folgendes: Wenn Sie das gesamte Wissen, das es im Universum zu entdecken gibt, nehmen würden, sogar nur das wirkliche Wissen pro Mieter, wäre dieser kleiner als ein Nadelstich in der Lage, alles davon aufzunehmen, egal, wie es verarbeitet wird? Die Art und Weise, wie der Himmel funktioniert, entspricht überhaupt nicht dem, was wir denken, es gibt einfach zu viel davon ….. wir können nicht einmal die Grenzen davon ergründen, ganz zu schweigen von den verschiedenen Mechanismen, die im Spiel sind. Die heutige Physik könnte genauso gut mit Streichholzschachtelspielzeugen spielen.
Das Problem liegt hier in der Winkelauflösung. Teleskope können Objekte nicht unendlich vergrößern. Wenn Sie etwas immer stärker vergrößern, treten Probleme auf, bei denen sich die Lichtbeugungsmuster gegenseitig stören. Im Wesentlichen entsteht eine Unschärfe.
Der Detailgrad, den ein Teleskop auflösen kann, hängt von seiner Apertur ab – dem Durchmesser des Hauptspiegels oder der Objektivlinse des Teleskops. Je größer die Blende, desto mehr Details können aufgelöst werden.
Der grundlegende Grund ist nicht derselbe, aber Sie können eine Analogie dazu in digitalen Bildern erkennen. Machen Sie ein Foto desselben Objekts mit einer 2-Megapixel-Kamera und mit einer 16-Megapixel-Kamera. Platzieren Sie diese Bilder nun nebeneinander auf Ihrem Computerbildschirm und beginnen Sie, jedes einzelne Bild zu vergrößern. Das mit der 2-Megapixel-Kamera aufgenommene Bild fängt sehr schnell an, pixelig zu werden – die blockige Unschärfe, die man sieht, wenn man ein Bild zu stark vergrößert. Beim 16-Megapixel-Bild kann man allerdings deutlich mehr hineinzoomen. Dies liegt daran, dass im 16-Megapixel-Bild mehr Details erfasst werden.
Ich besitze mehrere Teleskope. In letzter Zeit verbringe ich einige Zeit damit, mit meinem 90-mm-Refraktor zu spielen. 90 mm ist die Blende – die Größe des Objektivs (vorderste Linse). Ich habe auch ein 203 mm (8″) Schmidt-Cassegrain-Teleskop. Mit meinem 10-mm-Okular im 90-mm-Teleskop erhalte ich eine 100-fache Vergrößerung. Wenn ich eine 2X-Barlowlinse hinzufüge, erhalte ich 200x. Wenn ich die Sicht, die ich dadurch sehe, mit der Sicht mit dem 10-mm-Okular im 203-mm-Zielfernrohr vergleiche, das 203x ergibt (ohne Verwendung des Barlow-Teleskops), wird die Sicht im 203-mm-Teleskop deutlich klarer sein.
Es gibt zwei Methoden zur Berechnung des maximalen Auflösungsvermögens in einem Teleskop. Das eine wird Dawes-Limit genannt, das andere ist das Rayleigh-Kriterium. Sie berechnen die Auflösung etwas anders und kommen zu etwas anderen Ergebnissen. Es ist jedoch am einfachsten, die Grenze von Dawes zu verstehen. WR Dawes befasste sich mit der Fähigkeit, zwischen den beiden Sternen in einem Doppelsternsystem zu unterscheiden, wenn die beiden sehr nahe beieinander liegen. Je größer das Teleskop, desto einfacher war es, auch bei gleicher Vergrößerung festzustellen, dass es sich tatsächlich um zwei Sterne handelte.
Bei den beiden oben erwähnten Teleskopen beträgt die berechnete Dawes-Grenze 0,57 für das 203-mm-Teleskop und 1,29 Bogensekunden für das 90-mm-Teleskop. Um zwei nahegelegene Sterne mit meinem 203-mm-Zielfernrohr voneinander unterscheiden zu können, müssen sie mindestens 0,57 Bogensekunden voneinander entfernt sein, während sie im 90-mm-Teleskop mehr als das Doppelte dieses Winkelabstands haben müssen, nämlich 1,29 Bogensekunden. Für das Hubble-Weltraumteleskop (HST) müssten sie mindestens 0,05 Bogensekunden voneinander entfernt sein.
Der Mond hat aus unserer Sicht hier auf der Erde einen Durchmesser von etwa 30 Bogenminuten, während sein tatsächlicher Durchmesser etwa 3.474 km beträgt. M101, die Windradgalaxie, erscheint an unserem Himmel als Oval mit einem Durchmesser von etwa 29 Bogenminuten und einer Breite von etwa 27 Bogenminuten – also etwas kleiner als der Mond. Tatsächlich hat er jedoch einen Durchmesser von etwa 170.000 Lichtjahren oder 1.608.370.000.000.000.000 – 1,6 Trillionen – Kilometern. Aber obwohl er so groß ist, erscheint er an unserem Himmel kleiner als der Mond … das liegt an der Winkelmessung. Der Mond ist viel kleiner als M101, aber viel, viel näher (etwa 384.400 km gegenüber 198,6 Trillionen km). Diesen Effekt kennt natürlich jedes Schulkind: weiter entfernte Dinge erscheinen kleiner.
Um Details entfernter Objekte erkennen zu können, benötigen wir ein Teleskop mit einer sehr, sehr großen Öffnung, um diese Details erkennen zu können. Solche Teleskope gibt es einfach nicht.
Wenn das HST ein Bild einer 13 Milliarden Lichtjahre entfernten Galaxie aufnimmt, nimmt es kein detailliertes Bild auf. Es erfasst ein Bild mit einer Breite von nur wenigen Pixeln auf seinem Bildsensor. Aufgrund der Helligkeit und der Analyse ihrer Spektren wissen wir jedoch, dass es sich um Galaxien handelt. Kein Teleskop kann ein Bild so weit auflösen und Ihnen sagen, dass es sich um eine Spiralgalaxie handelt – nur, dass es dort eine Masse von Sternen gibt. Sie machen keine klaren Bilder von ihnen, sondern fangen nur eine kleine Anzahl von Photonen ein. Aus diesem Grund benötigten die Hubble-Deep-Field-Bilder mehrere Tage Belichtungszeit – um so viel Licht wie möglich vom Ziel zu sammeln.
Vielleicht werden wir eines Tages in der Lage sein, Weltraumteleskop-Arrays zu konstruieren, die in der Lage sind, Interferometrie durchzuführen, um etwas detailliertere Bilder zu erzeugen, aber das liegt noch in weiter Ferne.