為什麼哈勃望遠鏡無法拍出清晰的冥王星照片？

11-27

印象中哈勃望遠鏡很厲害，拍攝過不少很漂亮的星雲圖片。冥王星比星雲近多了，可是拍出來卻也是幾個像素團。是什麼原因讓哈勃無法拍出有清晰輪廓的冥王星照片呢？是因為哈勃的光學結構是拍攝星雲優化的嗎？

「如果你拍得不夠好,那是因為你離得不夠近。」——羅伯特.卡帕

大家這麼多贊，我把最後選購望遠鏡的建議完善了許多，謹防被無良商家忽悠哦～
我覺得樓上的回答都沒答道點子上。為什麼無法看清呢？因為有一個很重要的東西存在，就是衍射極限。
在幾何光學裡，物體能嚴格、精確的成像。這是什麼意思呢？就是比如在一個透鏡（光學系統）前面放一個幾何點，能成一個精確的幾何點像（這裡既可以是實像點也可以是虛像點）。然而，理想很豐滿，現實很骨感。一個實際的光學系統的孔徑（比如你的單反鏡頭的直徑多大），是有限大小的，它不能收集物體發出的所有方向的平面波（這裡把點物發出的球面波看成無數平面波的疊加），所以不能再成一個點像。此外，實際光學系統總是存在各種像差（球差，彗差），也會使最後的成像質量（變大、變形、變色）下降，雖然可以通過各種方法（比如消球差的透鏡、反射鏡等）減少像差對最後成像的影響，但是還是會比理論值更大。
一個幾何點經過光學系統最後成的像，叫作艾利斑。兩個艾利斑要是想要分開，要滿足瑞利判據。具體示意如圖（圖是從光學書上掃描下來的，侵刪），當兩個艾利斑逐漸靠近，他們會變得越來越難以分辨，最後重合為一個艾利斑（什麼？你說最右邊的光斑是兩個光斑組成的？那你真是火眼金睛啊）。

對於望遠鏡系統，兩個點物若是想要被分辨，它們對光學系統的夾角滿足公式： $Delta heta =1.22frac{lambda }{D}$ ，其中 $lambda$ 是光的波長，D是孔徑。那麼我們現在把哈勃望遠鏡的數據帶進去估算一下好了。哈勃望遠鏡主鏡直徑2.4米，波長就取500nm好了（我才不會告訴你我是憑感覺的），就可以得到其最小分辨角為：2.5417*10^-7rad。冥王星的近日點距離是29.66天文單位，減去地球的1個天文單位。把地冥距離乘以我們得到的最小分辨角，就是對應於冥王星表面的最小分辨距離了，也就是1100km！！New Horizons測得冥王星的直徑是2370km，那麼也就是說，哈勃望遠鏡的能力，也就能分辨出冥王星上幾個點，所以照片就很不清晰了。

對於題主說的星雲照片，也可以用上面的知識來解答。舉個栗子，獵戶座星雲M42，離地球1500光年，其直徑為16光年，相比之下張角非常大，哈勃也就能分辨相當多的細節（其實你用一個100mm口徑的折射望遠鏡就能看到不少東西了哈哈）。

所以脫離物體的距離和大小談分辨，都是耍！流！氓！
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你要是問我為什麼費那麼大勁去探測一個那麼遠那麼小的矮行星，而且飛過去又不能回來？我想說，因為人類的好奇心（哎呀感覺好裝逼）。這是一個飛行器的一小步，卻是人類的一大步。
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說個題外話。
為什麼哈勃望遠鏡那麼牛逼？
因為它在大氣層外面。大氣層里的密度變化很劇烈，導致折射率不停變化，光線就會被偏折，這也就是為什麼星星會眨眼。所以地面望遠鏡雖然大，但是它們的分辨能力卻不及哈勃（但是天文學家們很努力的在高原沙漠里建天文台觀測站還有各種牛逼的方法減少擾動）。另外，哈勃可以全天候觀測，不會受到白天黑夜和雨雪霧天的影響，這也是地面望遠鏡做不到的。
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一點小建議。
望遠鏡絕對是一分價錢一分貨，十分價錢兩份貨的東西。所以不要相信商家所宣傳的性價比，高倍率，夜視等等。前面的分析說明了，決定解析度的主要參數是口徑，由於衍射極限的存在，就算強行把倍率做高（或者直接忽悠），看到的像也不會比較低倍率的望遠鏡更清晰。
所以脫離了口徑談倍率就是耍流氓。

最近師兄們（為什麼沒有師妹啊哭）問我買個家用天文望遠鏡多少錢。先拋開別的不談，我想說，大概上不封頂（其實不準確，可以封頂，只是頂比較高）。
我從小喜愛天文，現在的專業是光學，所以比較喜歡望遠鏡啊相機這類東西。這麼多年來，每次提及望遠鏡，99.99%的對話都是這個情景：
——「你的/某個天文台的/哈勃望遠鏡能看多遠？」。
——而我一般都會反問一句：「你覺得你的眼睛能看多遠？」
其實望遠鏡並不是讓你看得更遠，而是讓你看得更清，看得更暗。望遠鏡能大大提升你所能看到物體細節（不是叫你去偷窺，會被打的哦），並且能讓你看見更暗的東西（收集光的能力比你的眼睛更強）。【我一定要糾正這個不準確的說法，哪怕再說一萬遍】。
那麼在選購天文望遠鏡之前，首先不要抱有幻想！不要抱有幻想！不要抱有幻想！你不可能拍的比哈勃望遠鏡還好，你連哈勃的一百分之一都拍不出來！
如果你相信我上面說的，那麼先考慮一下，這個望遠鏡給誰用（是給家裡的小朋友，還是滿足一下自己的好奇心，還是買給家裡大孩子的禮物）？怎麼用（純目視觀測，還是想拍天體照片）？在哪用（有能力經常去野外么）？
如果是給小朋友用的話，個人覺得一個雙筒望遠鏡（或者兩個，大人小孩一起看）也許更合適。因為小朋友的動手能力不強（破壞力不弱），使用天文望遠鏡這樣比較巨大和精密的儀器，不太合適，就算有大人在，熊孩子也可能會把諸如目鏡這樣的小東西搞壞惹。一個質量良好的雙筒望遠鏡對小朋友來說，可能是一個比較理性的選擇，價格不貴，況且雙筒還能旅遊的時候用，一鏡多得。
對於大人或者年齡偏大的孩子（初高中生以上級別的），天文望遠鏡就比雙筒好些。相對於反射式望遠鏡，我更推薦折射式和折返式（一般來說折射式比較細長，成像不如折返式，價格較低；折返式比較粗短，成像較好，價格較貴），比較推薦赤道儀（跟蹤星體方便，重量較大；地平儀重量相對輕，跟蹤星體要兩個軸）。如果你只需要目視觀測，那麼可以不購置電動跟蹤的裝置，直接手動調節就行了，如果你打算以後還接單反搞搞天文攝影，那麼還是買個電跟裝置好了（或者自己DIY做一個，很簡單的）。個人不是很推薦那種純電動跟蹤的，感覺那種壞了整個鏡子就是半廢的狀態。
然後，現在城市裡的光污染很嚴重，要想執行天文觀測最好到鄉下去，至少也要去郊區，越黑的地方越好。所以如果有能力經常（比如開車）去鄉下去野外，可以考慮口徑稍大的鏡子。
最後，天文望遠鏡的價格都不便宜，量力而為，買來之後小心愛護，防潮防鏽防霉防蟲。
絕對絕對絕對不可以用望遠鏡直接看太陽。【這是個嚴肅的事情，至於為什麼，效果相當於放大鏡點火柴，後果很嚴重。另外經小夥伴提醒，可以使用巴德膜放在望遠鏡物鏡前，這樣就可以用肉眼觀看了（可能我的眼睛感光度太高，不能長時間看）。但在每次使用前，一定檢查巴德膜的完好，一定要確保不能漏光，否則……】

發現這個小建議好像有點長……真的可以抽時間另開一題了……

最後，給大家推薦個星空模擬軟體，Stellarium，挺不錯的。

轉載請註明出處，禁止商業用途。
（說的好像真有人會轉載一樣）

以上。

主要還是冥王星實在太遠了，又遠又小，星雲雖然更遠，但是大啊，打個比方月球離你遠但是大，看起來就比離你一百米的一顆乒乓球大很多啊

冥王星是一顆直徑僅2274公里的矮行星，它距離太陽遠達60億公里。也就是說，它看上去只有0.078角秒那麼大，相當於隔著整個太湖（南北岸）看一個1元錢硬幣的大小。哈勃望遠鏡的行星照相機（WFC3）使用CCD作為圖像終端，它的每個像素（共 4096×2048×2像素）相當於0.04角秒——充其量冥王星的像在上面只佔4個像素的面積。這樣的成像能算「清晰」才怪。加上自轉，本身有不發光，只能靠遙遠的太遠光反射。

你太高估人類的智商和科技了！在按億計算時間，按光年計算距離的宇宙，我們所做的一切都太微小了，就和細菌放個屁，人類無法感覺到一樣！

其實不是冥王星太小，而是人類科技太初級了，可能等到後面的望遠鏡直接達到100M直徑+後，或許我們能看到更多！我記得三體裡面，後來人類製造了直徑1000米的望遠鏡，連4光年外的三體星球也能看到了。

樓下的很多說：衍射極限。這詞語我不懂，我也不是專業人士，只是個人理解。說那麼專業，能懂的舉手！

但是我看了幾遍他們說的科普知識，好像又倒會了我原來說的那個點：還是自己的科技技術不行，製造的光學望遠鏡不行唄。難道不是？

為什麼沒人提到冥王星自轉問題？
冥王星不發光，拍攝它只能靠反射微弱的陽光曝光。我們都知道曝光是需要時間的，拍攝越暗的物體所需的曝光時間越長，在曝光時間裡，冥王星自轉導致無法成像模糊。
而各個河外星系本身其實很亮，並且相對靜止，所以沒有這方面困擾。

你能看得到38萬千米的月球 1km外的燈泡卻看不到10M遠的兵乓球。

純手機碼字，從信息光學角度切入，通俗白話解釋衍射極限決定分辨力的原因，簡單描述像差的原因及對成像的影響。不對的望指正。
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確實，最根本的原因就是衍射極限所造成。任何有限口徑的成像系統都存在衍射極限。那麼，其數學上是怎麼來的呢？
衍射大家都知道，在中學物理書上可以找到示意圖，在系統的邊緣上會發生衍射，那麼透鏡邊緣也會發生衍射，整個透鏡實際上就是實現對物體進行傅里葉變換，也就是說這實際上是傅里葉成像的一個過程。我們所看到的系統成像實際上均是景物的空間頻譜圖。我們都知道，任何系統都可以描述成一個系統函數H(x)，如下圖，

這是一個矩形口徑系統的簡單等效，其對某點成像後的光強分布即是其傅里葉變換sa函數。圓孔徑的光強分布也長得差不多，不過在數學形式上是不一樣的。我們都知道，這個矩形實際上也是個低通濾波器，那麼其形狀越寬(即口徑越大，截止頻率越高)，下面的衍射光強分布形狀將越窄(也就是衍射函數的周期越小)，那麼根據瑞利判據等，即可知道其可分辨兩點間距將更小(分辨力更大)。
相信很多玩相機的人都知道F數，F2.0,F2.2,F2.8之類的，比如水果某型號手機攝像頭就是F2.2的，這實際上描述的就是成像系統的分辨力(分辨能力，不是解析度)。數值越小，分辨力越強，"能看到更遠的東西"
那麼，以上的敘述都是在理想無像差的情況下，默認所有非衍射光線(成像包括幾何光線與衍射光線)都應該聚焦於一點。然而，由於工藝等因素，無法保證完美的聚焦，這時就產生了像差，像差分很多種，還有一種很另類，叫畸變，此處不主要提到它。產生像差後，相當於A點與B點同時參與成像過程中，B的光線一部分跑到A上，然後A的一部分跑到C上，造成了重疊，達到一定程度後，A與B就難以辨別出來了。當然，這只是一種極其簡單的重疊情況，實際情況要複雜得多。
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綜上所述，就很好解釋為什麼你在地球上使用的望遠鏡很難拍出哈勃的效果，而且很大多數都差遠了:
1.你口徑沒人家大，分辨力自然不高。
2.你造價沒人家高(哈勃的像差補償鏡在當時造價就1.2億美金了)，系統設計中參與進來的專家自然沒人家多，工藝也會差，用的鏡片也會差，等等等，間接導致了你所使用的望遠鏡像差就比哈勃大好幾個數量級。
3.大氣層對光線的吸收(還有反射)與折射，吸收會導致本來同樣亮的兩點因為大氣層的不均勻性導致成像時光強不對等，折射會間接引入像差。
4.等等。

星雲太大，冥王太小。