¿Qué detalle puede ver el Hubble en Marte?

Estoy investigando una escena para una novela de ciencia ficción en la que los protagonistas del futuro cercano observan la Tierra a través de un telescopio montado en una estación en la órbita de Marte. Mi objetivo es comprender cuántos detalles pueden discernir razonablemente.

El telescopio Hubble es probablemente una comparación razonable para mis propósitos. Encontré imágenes que Hubble tomó de Marte durante un acercamiento, pero no sé si representan la mejor resolución posible o simplemente la resolución que se seleccionó o estaba disponible en ese momento, o de hecho, si todo el planeta fue fotografiado a un nivel más alto resolución que la foto publicada en los medios de comunicación populares.

¿Puede un telescopio similar al Hubble observar detalles significativamente mayores que los que se muestran en el siguiente artículo? Si es así, ¿qué podría resolverse razonablemente? ¿Grandes ciudades? Edificios individuales?

Desde el Hubble de Vox.com se pueden ver galaxias imposiblemente lejos. Esto es lo que sucede cuando mira a Marte y Saturno.

arriba: recortada de la fuente NASA, ESA y STScI

arriba: recortada de la fuente NASA / Hubble

— Eric J.
fuente

Primero, debe comprender que el aumento no es lo que desea preguntar, sino la resolución angular.

— AtmosphericPrisonEscape

He traído las imágenes a la pregunta porque con el tiempo los enlaces se rompen (los sitios web populares mueven o archivan artículos antiguos) y luego la pregunta deja de ser válida. De esta forma, los futuros lectores podrán ver de qué imágenes se habla. Además, ¡son realmente hermosos!

— uhoh

La resolución de las imágenes públicas me parece correcta. Estoy seguro de que se podrían extraer más detalles a través del procesamiento pesado, pero eso también tiende a crear artefactos.

— Florin Andrei

@Tim En general, las imágenes de la NASA están disponibles gratuitamente para uso público, pero no sé la licencia exacta. La política en sí es probablemente mucho más antigua que cc by-sa y puede ser establecida de alguna manera por la ley estadounidense como parte del mandato de financiamiento. Ciertamente, esto se puede buscar en Internet. spacetelescope.org/copyright Si hay más para discutir, tal vez sea un buen tema para una meta pregunta.

— uhoh

En el caso de que necesite describir la escala de estos telescopios en términos de referencia humana, un práctico gráfico de Wikipedia.

— obispo

Respuestas:

Olvídate de la ampliación. Las personas que conocen los telescopios no piensan en términos de aumento. Lo que importa es la resolución angular, o el poder de resolución: el tamaño angular de los detalles más pequeños que se pueden ver en un instrumento.

Regla general: el poder de resolución de un telescopio con un diámetro de 10 cm es de 1 segundo de arco cuando se usa luz visible. Los números son inversamente proporcionales. Un telescopio de 20 cm resuelve detalles de 0.5 segundos de arco de tamaño. Un telescopio de 1 metro resuelve 0.1 segundos de arco.

El Hubble tiene una apertura (diámetro) de 2,4 m, por lo que su poder de resolución es de 0,04 segundos de arco.

La distancia mínima entre la Tierra y Marte es de unos 55 millones de km y solo ocurre muy raramente. La distancia máxima es de 400 mil km. La distancia "promedio" es 225 mil km (pero la distancia real varía todo el tiempo).

Apliquemos la tangente de 0.04 segundos de arco a 55 mil km:

https://www.wolframalpha.com/input/?i=tan(0.04+arcseconds)+*+55000000

Son 10 km. Solo sería capaz de ver las principales características geográficas.

Para ver edificios (hasta la escala de 10 m), necesitaría un aumento de 1000x en la resolución. Eso significa una apertura de 2.4 km. Ninguno de los diseños clásicos de telescopios puede proporcionar eso. Tendría que ser algún tipo de diseño interferométrico: un campo grande y plano donde varios espejos se colocan a varios kilómetros de distancia y se acoplan ópticamente para funcionar como un solo espejo enorme (bueno, más o menos, esto es más una explicación intuitiva).

Sería similar al interferómetro óptico de precisión naval cerca de Flagstaff, Arizona.

Algunas de las partes anchas y planas de Valles Marineris podrían proporcionar una buena ubicación para el interferómetro. Acidalia Planitia proporcionaría aún más espacio para construir interferómetros enormes, y debería ser un buen lugar para construir estructuras en general, de plano a más allá del horizonte; es el lugar donde gran parte del libro / película The Martian establece su historia. Pero cualquier campo grande y razonablemente plano funcionaría.

Todo lo anterior supone la distancia de aproximación más cercana entre la Tierra y Marte. En la práctica, la distancia es mayor que eso, por lo que la apertura debe aumentar. Está contemplando un interferómetro con una base de docenas de km si desea distinguir estructuras como edificios.

Posiblemente, el interferómetro podría construirse en órbita, pero debe asegurarse de que la distancia entre los espejos se mantenga con una precisión extraordinaria. En la superficie planetaria, el suelo proporciona la rigidez requerida. En el espacio tendrías que ... No sé, usar magia espacial.

— Florin Andrei
fuente

Gracias, esa es una respuesta maravillosamente detallada. La trama no depende de ninguna manera de ver pequeñas características, por lo que iré con la capacidad de resolver las principales características geográficas. ¡Me esfuerzo por obtener la ciencia correcta en mis novelas y agradezco enormemente su ayuda!

— Eric J.

@EricJ. - Bien, entonces el telescopio orbital funcionaría. ¡Buena suerte con tu proyecto!

— Florin Andrei

@ PM2Ring. De hecho, hago referencia a Olympus Mons en la historia. En esta escena, una estación orbital (alrededor de Marte) perdió contacto con la tierra en las semanas posteriores a una invasión alienígena. El papel del telescopio en esta escena es resaltar su desesperación por recibir noticias desde casa. En realidad no les dice nada, pero quiero describir con precisión lo que ven. Funciona bien para los propósitos de la historia, ya que solo pueden ver las principales características geográficas. Gracias por el pensamiento!

— Eric J.

@ChrisStratton No es que el telescopio deba estar en órbita, sino que los humanos se encuentran allí. La atmósfera marciana es tan delgada que, por lo que sé, no debería tener mucho impacto en la astronomía observacional. Supongo que podrían construir un gran telescopio en la superficie (por ejemplo, en Olympus Mons, como se sugirió anteriormente) con el tiempo suficiente, pero la historia los llevará en una dirección diferente.

— Eric J.

En lugar de tratar de ver los detalles de la imagen como edificios, tus personajes probablemente mirarían cosas como patrones de iluminación nocturna (normales, ausentes, destellos repentinos con espectros preocupantes), patrones de clima posiblemente interrumpidos, charla de radio (normal, ausente, nunca antes modulaciones vistas) y así sucesivamente. Es casi el problema SETI, pero ahora con tres opciones: familiar, nada desconocido

— Chris Stratton,

$10^{-7}$ es de aproximadamente 54,6 millones de km, por lo que la resolución mínima teórica es de entre 5 y 6 km. Por lo tanto, las grandes ciudades podrían ser visibles si tienen mucho contraste. Dado que en la aproximación más cercana, un observador en Marte está mirando directamente hacia el lado nocturno de la Tierra, una ciudad bien iluminada podría ser fácil de detectar, por otro lado, también está mirando más o menos directamente al Sol, lo que podría dar algo de problemas. Aún así, habrá momentos en que la distancia sea de solo 70 u 80 millones de km y el ángulo del Sol sea más manejable, por lo que una resolución de 10 km en la luz ultravioleta, 20 en luz visible es creíble.

— Steve Linton
fuente

Lo que no está claro para mí es si la distancia mínima Tierra-Marte coincide con el tránsito de la Tierra sobre el disco solar, visto desde Marte. Dado que las órbitas no son exactamente coplanares, la coincidencia no está garantizada, al menos esa es mi intuición. Podría estar equivocado.

— Florin Andrei

@Florin Buen punto. El acercamiento más cercano ocurre cuando Marte está en oposición, pero eso puede no ser un tránsito. Apuesto a que Meuss podría decirnos ...

— PM 2 Timbre

@FlorinAndrei Los planos orbitales de los planetas están bastante inclinados entre sí (varios grados); están bastante lejos de ser coplanares. Dado el pequeño tamaño angular del sol (0.5 ° desde el punto de vista de la Tierra) y las vastas distancias involucradas, los tránsitos son bastante raros. ¡Los tránsitos de la Tierra, vistos desde Marte, suceden solo unas pocas veces por siglo!

— Oscar Bravo