Чому наші телескопи не можуть знайти «дев'яту планету»?

Історія астрономії була історією відступаючих горизонтів. Винахід телескопа вивело нас за межі можливостей неозброєного ока, до мільйонів (і мільярдам) зірок нашого Чумацького Шляху. Застосування фотографії і багатохвильовий астрономії до телескопів вивело нас за межі нашої власної галактики в далекі «острівні Всесвіти», що населяють весь простір, до якого ми можемо отримати доступ. Тим не менш, незважаючи на все, що ми знаємо про далекій Всесвіту, в нашій Сонячній системі можуть бути невідкриті світи. Як же так?

Чому ми не можемо знайти нові планети в Сонячній системі

Якщо вчені можуть використовувати телескопи для полювання на планети, галактики, екзопланети та інша інших, чому вони просто не можуть взяти і просканувати нашу Сонячну систему в пошуках відбилися від центру «планети Х» та інших небесних тіл?

Є ключове слово, яке вам потрібно зрозуміти, перш ніж ми займемося цим питанням: величина. З астрономічної точки зору кожному об'єкту притаманна яскравість, обумовлена кількістю випромінюваного ним світла. У випадку з об'єктом зразок нашого Сонця, це стосується його власної світності, тому що створює енергію Сонця і випускає її у всіх напрямках. У випадку з об'єктами на зразок нашої Місяця, це стосується її відбитого світла, тому що у неї немає власної світності.

Якщо ви подивитеся на Місяць у фазі півмісяця, ви зможете розгледіти поверхню, яка не освітлена Сонцем. Це не те щоб трюк атмосфери Місяця (тому що у неї її практично немає), а так званий попелястий світло Місяця: сонячне світло відбивається від Землі і падає на Місяць.

Різниця в яскравості між цими прикладами показує, наскільки велика різниця між відбитим світлом і власним світлом.

Але є й інша деталь, яка підкреслюється відмінностями яскравості між Сонцем і Місяцем, а також Місяцем і всім іншим на нічному небі. Місяць не має права бути яскравіше, ніж зірка, планета чи галактика в небі, виходячи з власної жалюгідною величини. По суті, Місяць — самий тьмяний об'єкт, видимий неозброєним оком з будь-якої точки Землі. І все ж, вона виглядає яскравіше всього, крім Сонця.

Причина цього в тому, що Місяць знаходиться дуже близько, і що її власна яскравість не збігається з спостережуваної — або видимою — яскравістю.

Чим далі знаходиться об'єкт, тим менш яскравим він здається. Однак це не те щоб якесь загальне правило, яке застосовується, це кількісна залежність, яка дозволяє нам визначати, наскільки яскравим або тьмяним здається об'єкт в залежності від відстані до нього. Простіше кажучи, яскравість (b) падає як зворотна величина квадрата відстані або b ~ 1/r2.

Розмістіть об'єкт вдвічі далі і його яскравість впаде в чотири рази. Додайте в десять разів далі — і впаде в сто разів. Додайте в тисячу разів далі, яскравість впаде в мільйон разів.

Для будь-якого об'єкта, який випромінює власний світ, ці два фактори визначають видиму яскравість: внутрішню яскравість і відстань до спостерігача.

Ці два чинники, можливо, найважливіші, які слід враховувати при визначенні типу телескопа, який буде будуватися. Хочете побачити щось більш тьмяне? Вам потрібно буде зібрати більше світла, а значить потрібно телескоп побільше, або доведеться спостерігати за однією точкою неба довше.

Якщо б гроші і технології не мали значення, ви б кожен раз обирали великий телескоп. Зберіть телескоп в два рази більше, і ви не тільки зберете в чотири рази більше світла, але і подвоїте дозвіл. Щоб зібрати в чотири рази більше світла, спостерігаючи довше, потрібно витратити в чотири рази більше часу і не отримати майже ніякої надбавки в дозволі.

Найбільші телескопи, які у нас є, здатні переглядати об'єкти з максимально можливим дозволом і визначати їх деталі в найкоротші терміни.

Є також міркування поле огляду. Яка у вас мета? Побачити самий тьмяний об'єкт з можливих? Або побачити максимально можливе поле Всесвіту?

Тут доведеться йти на компроміс. Ваш телескоп може зібрати певну кількість світла, переглянувши невелику область з великою точністю або велику область з невеликою точністю. Подібно до того, як мікроскоп може подвоїти збільшення, вдвічі зменшивши діаметр поля зору, телескоп може зазирнути глибше у Всесвіті, звузивши своє поле огляду.

Різні телескопи оптимізовані для різних цілей. Але компроміс буде дуже серйозним. Якщо ми хочемо зазирнути якомога глибше, нам доведеться вибрати один дуже невеликий регіон неба.

Це хаббловское надзвичайно глибоке поле. Крихітна область простору проглядалася на різних довжинах хвиль в загальній складності 23 дні. Кількість інформації, яку ми вибрали, просто вражає: ми знайшли 5500 галактик у цьому крихітному клаптику неба. Самі тьмяні об'єкти в цьому клаптику буквально в 10 000 000 000 разів слабкіше, ніж те, що ви можете побачити на межі свого неозброєного ока.

Завдяки дзеркалу великого діаметру, спостереженнями на різних довжинах хвиль, розташуванню в космосі, великого збільшення і невеликого поля зору, «Хаббл» зміг знайти самі тьмяні галактики, які тільки можна розгледіти. Але і цьому є ціна: цей знімок, на створення якого пішло 23 дні, включає всього 1/32 000 000 частину неба.

З іншого боку, можна подивитися і так. Цей знімок був зроблений за допомогою телескопа Pan-STARRS, який кожну ніч переглядає все видиме небо зі свого місця на Землі. Він порівнянний за розмірами з космічним телескопом Хаббла, але оптимізованийдля зйомки в широкому полі, вибираючи більший охоплення неба замість збільшення.

Як наслідок, він може виявляти об'єкти, розташовані практично в будь-якій частині неба; тільки крайній південний полюс відрізаний з-за розташування телескопа в північній півкулі. Pan-STARRS захоплює 75% неба і чудово реєструє зміни між точками світла. Він може знаходити комети, астероїди, об'єкти пояса Койпера і багато іншого. Але ці об'єкти повинен бути у тисячі разів яскравішими, ніж самі тьмяні з тих, що знаходить «Хаббл».

Як би нам не хотілося, ми не можемо просто досліджувати всю зовнішню Сонячну систему з необхідним наближенням, щоб знайти все, що в ній є. Сверхглубокий, сверхтусклый огляд всього неба, ймовірно, ніколи не буде можливий з-за технологічних обмежень; ми можемо бачити тьмяне у вузькому діапазоні або яскраве в широкому, але не обидва варіанти одночасно.

Існує також ще один обмежуючий фактор, який йде корінням в початок: ці об'єкти відображають лише сонячне світло. Якщо ви подивіться на зовнішній Сонячній системі на два ідентичних об'єкта, але один буде в два рази далі, ніж інший, він буде в шістнадцять разів тьмяніше. Це пов'язано з тим, що з часом сонячне світло потрапляє на далекий об'єкт і яскравішає на чверть, але потім відбите світло повинен пройти в двоє більше відстань до наших очей, в результаті чого загальна видима яскравість падає b ~ 1 / r⁴. Навіть якщо б в хмарі Оорта перебував світ розміром з , ми б його не знайшли.

У нас є безліч телескопів, здатні бачити неймовірно тьмяні об'єкти, але нам потрібно знати, куди їх спрямувати. У нас є безліч телескопів, здатних оглядати величезні ділянки неба, але вони можуть бачити лише яскраві об'єкти, а слабкі — ні. Що стосується об'єктів у нашій власній Сонячній системі, оскільки вони відображають сонячне світло, а не випромінюють свій власний, їх не можна побачити жодним сучасним телескопом, якщо вони опиняться за певним відстанню.

Виходить, що незважаючи на всі наші знання про Всесвіт і нашій власній планеті, задвірки нашої Сонячної системи можуть завжди залишатися для нас джерелом сюрпризів.

Якийсь телескоп будемо будувати? Розкажіть в нашому