¿Por qué es difícil tomar una imagen de alta calidad de objetos lejanos (como Plutón) usando un telescopio espacial de alta tecnología?

Creo que mucha gente ve estas magníficas fotos de galaxias distantes, con finos detalles en las líneas de polvo y los brazos en espiral, y asume que, dado que están tan lejos, ver a Plutón sería fácil. Pero si bien estas galaxias están muy lejos, también son enormes .

El detalle (relativo) que se puede ver en cualquier telescopio dado se encontrará dividiendo el tamaño del objeto por la distancia desde el telescopio. En otras palabras, el tamaño angular en el cielo.

Comparemos el tamaño angular de una galaxia distante con Plutón. Una bonita galaxia espiral (como la nuestra) tiene una extensión de unos 100.000 años luz. Lo envejeceremos y lo pondremos a 10 mil millones de años luz de distancia. ¿Qué tamaño tiene en un telescopio?

Ahora, ¿cuánto podemos ver a Plutón? Tiene un diámetro de ~2400 km y, cuando está más lejos de la Tierra, tiene una distancia de alrededor de 48 AU. Entonces tiene un tamaño angular de

Esto significa que, en comparación con una galaxia distante difusa, Plutón cubre aproximadamente 3 órdenes de magnitud menos de área angular en el cielo. No es de extrañar que sea más difícil de imaginar.

Además, en estas escalas angulares te encuentras con el límite de difracción . Para la luz visible y para una apertura del tamaño de la del Hubble, no puede esperar resolver características que son significativamente más pequeñas que aproximadamente$2.5 \times 10^{-7}$radianes de ancho, que es comparable al tamaño angular del propio Plutón. Para hacerlo mejor desde la órbita terrestre, necesitarías un espejo mucho más grande.

De hecho, si observa esta imagen de la NASA que muestra el campo profundo extremo del Hubble:

a tamaño completo (976 píxeles de ancho), según mis cálculos, la parte más ampliada en la parte superior derecha es aproximadamente$2.5 \times 10^{-7}\thinspace\mathrm{radians/pixel}$. En tal imagen, Plutón sería un poco más grande que 1 píxel.

Distancia. Tamaño del objetivo. Su pobre albedo a tal distancia de su única fuente de iluminación, el Sol, en comparación con cuerpos celestes más cercanos. Y el movimiento del objetivo y el punto de vista en sus órbitas impiden las técnicas avanzadas de interpolación de imágenes que combinan múltiples observaciones del mismo lado de Plutón en las mismas condiciones de iluminación.

Plutón se encuentra actualmente a 31,9 AU (unidades astronómicas, 1 AU es la distancia promedio entre la Tierra y el Sol) de la Tierra, donde actualmente orbita a su alrededor el telescopio óptico orbital de mayor resolución espacial, el Telescopio Espacial Hubble (HST). En otras palabras, Plutón está casi 32 veces más lejos de nosotros, y el Hubble, que el Sol:

   ^{Distancia a Plutón a escala. Fuente de la imagen: Solar System Scope , utilizando un modelo y tamaños realistas (no orrery) a escala}

El generador de imágenes de mayor resolución del HST, la cámara de objetos débiles de la ESA, tiene una resolución espacial de 0,0072 píxeles de segundo de arco y puede producir imágenes de Plutón de aproximadamente 16x16 píxeles desde tal distancia:

   ^{Vistas de Plutón tomadas por la Cámara de Objetos Débiles de la ESA e interpolaciones calculadas (Crédito: ESA)}

Por supuesto, incluso esos 16x16 píxeles se ven gravemente afectados por el límite de Rayleigh de la óptica tipo Cassegrain de HST , pero les ahorraré detalles técnicos. El punto es que para algo mejor que lo que HST puede producir, necesitaríamos un telescopio aún más grande que el Hubble, o lo que hemos hecho con New Horizons, mover los más pequeños mucho, mucho más cerca de su objetivo.

Además, ¿la imagen que adjunta a su pregunta es realmente de mala calidad? Resuelve características que son más pequeñas que una milla (1,6 km) de ancho. Y también tomó otras imágenes resolviendo detalles de hasta 70 metros de ancho. Solo tendremos que esperarlos. Con su velocidad de transmisión de ~ 2 kb/s, tardará casi un año y medio en enviar todos los datos que tomó durante el sobrevuelo de vuelta a la Tierra.

Para obtener material de muy alta resolución, debe salir de la atmósfera. El mejor instrumento para hacer esto es el Telescopio Espacial Hubble. La resolución del Hubble es de unos 0,05 segundos de arco. Plutón se encuentra actualmente a unos 3.500 millones de millas. Eso da una resolución de 850 millas más o menos. Esto está limitado por el tamaño del espejo que tiene el Hubble, que tiene unos 2 m de ancho. Todo esto es muy duro, fíjate. Plutón es un objeto bastante pequeño, de 1470 millas, más o menos. Entonces, Plutón está a solo unos pocos píxeles del Hubble. Esto fue explicado además por la Sociedad Planetaria .

La mejor imagen absoluta que se produjo antes de New Horizons se obtuvo observando a Plutón durante mucho tiempo y haciendo algunas cosas muy complejas para llegar a lo siguiente :

En general, escuché que se citó que hasta 9 días después del acercamiento más cercano, Hubble podría hacer un mejor trabajo de imágenes de Plutón que New Horizons. (Aunque eso es con la imagen de súper resolución, como señala Emily Lakdawalla , en realidad comenzó a principios de este año. La súper resolución con Hubble es más fácil porque tenemos más datos y datos más precisos). las imágenes que hemos visto hasta ahora son anteriores a ese período de tiempo. Incluso entonces, aunque algunas de las características del compuesto Hubble son visibles (en particular, el Corazón), el detalle ha sido mejor durante varios días para New Horizons.

Las imágenes que fueron capturadas, y que pronto serán enviadas a la Tierra, son de una resolución mucho más alta que lo que se ha visto hasta ahora. Tomará hasta 18 meses obtener todos los datos del sobrevuelo a tierra. Algunas de las imágenes de alta resolución ya están apareciendo, vendrán más.

El resumen es que, sí, tenemos cámaras asombrosas cerca de la Tierra, pero la distancia a Plutón es astronómica, lo que requiere enviar una nave espacial cerca para obtener una buena imagen.

Para agregar a algunas respuestas que ya son excelentes, me gustaría agregar la física básica de la fotografía que puedes experimentar aquí en la Tierra.

Cuando toma una fotografía de algo, está recopilando información en forma de luz que se refleja en él. En un entorno brillante y bien iluminado en el que toma fotografías de cerca o tiene una lente enorme, puede recolectar suficiente luz para que los detalles de la imagen sean evidentes en una fracción de segundo. Cuando dispara con poca luz, la apertura de la cámara tiene que permanecer abierta por más tiempo para recolectar suficiente luz para que los detalles sean perceptibles (para un ejemplo fácil, piense en cómo sus ojos necesitan tiempo para adaptarse a la poca luz suficiente para usted). para ver bien en él: imagine que el obturador de una cámara tiene que permanecer abierto tanto tiempo para recoger tanta luz para ver claramente también), por lo que el objeto que está fotografiando debe permanecer perfectamente inmóvil durante ese tiempo o la imagen terminará borrosa . El mismo efecto se aplica cuando

Con Plutón estamos combinando ambos problemas, luz extremadamente baja y distancia extremadamente larga. Recibimos una cantidad tan pequeña de luz reflejada de Plutón aquí en la Tierra que ni siquiera es visible sin una excelente óptica, y prácticamente solo como una mota de luz. Para obtener una imagen de "resolución más alta" desde nuestro punto de vista, tendríamos que hacer que una sola exposición de Plutón durara semanas o más (en comparación con la fracción de segundo requerida para tomar fotografías aquí), pero sobre el En el transcurso de esas semanas, la Tierra gira alrededor del sol, Plutón gira alrededor del sol, Plutón gira, etc., de modo que básicamente nada se detiene para su toma . Podemos hacer una cierta cantidad de corrección para esto, pero aún tiene una efectividad limitada.

Solo hay dos soluciones. Construya un telescopio más grande para recolectar más luz reflejada en menos tiempo de exposición, o acérquese más. El tamaño del telescopio requerido para tomar imágenes de mayor resolución sería enorme y mucho menos rentable que simplemente atornillar una cámara a una caja de metal y lanzarla a Plutón tan rápido como sea humanamente posible.

Disculpas al equipo de New Horizons por la asombrosa simplificación excesiva de su misión... Estoy muy asombrado por su trabajo.

Durante más de cuarenta años, ha habido objetos hechos por el hombre sentados en la luna que no son exactamente pequeños y están a solo un cuarto de millón de millas de distancia, pero incluso nuestros mejores telescopios han sido incapaces de obtener una foto decente de ellos. Plutón está entre dos y medio y cuatro y medio billones de millas de distancia.