Почему наши телескопы не могут найти «девятую планету»?

История астрономии была историей отступающих горизонтов. Изобретение телескопа вывело нас за пределы возможностей невооруженного глаза, к миллионам (и миллиардам) звезд нашего Млечного Пути. Применение фотографии и многоволновой астрономии к телескопам вывело нас за пределы нашей собственной галактики в далекие «островные Вселенные», населяющие все пространство, к которому мы можем получить доступ. Тем не менее, несмотря на все, что мы знаем о далекой Вселенной, в нашей Солнечной системе могут быть неоткрытые миры. Как же так?

Почему мы не можем найти новые планеты в Солнечной системе

Если ученые могут использовать телескопы для охоты на планеты, галактики, экзопланеты и прочая прочих, почему они просто не могут взять и просканировать нашу Солнечную систему в поисках отбившихся от центра «планет Х» и других небесных тел?

Есть ключевое слово, которое вам нужно понять, прежде чем мы займемся этим вопросом: величина. С астрономической точки зрения каждому объекту присуща яркость, определяемая количеством испускаемого им света. В случае с объектом вроде нашего Солнца, это касается его собственной светимости, потому что Солнца создает энергию и испускает ее во всех направлениях. В случае с объектами вроде нашей Луны, это касается ее отраженного света, потому что у нее нет собственной светимости.

Если вы посмотрите на Луну в фазе полумесяца, вы сможете разглядеть поверхность, которая не освещена Солнцем. Это не то чтобы трюк атмосферы Луны (потому что у нее ее практически нет), а так называемый пепельный свет Луны: солнечный свет отражается от Земли и падает на Луну.

Разница в яркости между этими примерами показывает, насколько велика разница между отраженным светом и собственным светом.

Но есть и другая деталь, которая подчеркивается различиями яркости между Солнцем и Луной, а также Луной и всем остальным на ночном небе. Луна не имеет права быть ярче, чем звезда, планета или галактика в небе, исходя из собственной жалкой величины. По сути, Луна — самый тусклый объект, видимый невооруженным глазом из любой точки Земли. И все же, она выглядит ярче всего, кроме Солнца.

Причина этого в том, что Луна находится очень близко, и что ее собственная яркость не совпадает с наблюдаемой — или видимой — яркостью.

Чем дальше находится объект, тем менее ярким он кажется. Однако это не то чтобы какое-то общее правило, которое применяется, это количественная зависимость, которая позволяет нам определять, насколько ярким или тусклым кажется объект в зависимости от расстояния до него. Проще говоря, яркость (b) падает как обратная величина квадрата расстояния или b ~ 1/r?.

Разместите объект вдвое дальше и его яркость упадет в четыре раза. Разместите в десять раз дальше — и упадет в сто раз. Разместите в тысячу раз дальше, яркость упадет в миллион раз.

Для любого объекта, который излучает собственный свет, эти два фактора определяют видимую яркость: внутреннюю яркость и расстояние до наблюдателя.

Эти два фактора, возможно, самые важные, которые следует учитывать при определении типа телескопа, который будет строиться. Хотите увидеть что-то более тусклое? Вам нужно будет собрать больше света, а значит потребуется телескоп побольше, либо придется наблюдать за одной точкой неба дольше.

Если бы деньги и технологии не имели значения, вы бы каждый раз выбирали большой телескоп. Соберите телескоп в два раза больше, и вы не только соберете в четыре раза больше света, но и удвоите разрешение. Чтобы собрать в четыре раза больше света, наблюдая дольше, нужно потратить в четыре раза больше времени и не получить почти никакой прибавки в разрешении.

Самые большие телескопы, которые у нас есть, способны просматривать объекты с максимально возможным разрешением и определять их детали в кратчайшие сроки.

Есть также соображение поле обзора. Какая у вас цель? Увидеть самый тусклый объект из возможных? Или увидеть максимально возможное поле Вселенной?

Здесь придется идти на компромисс. Ваш телескоп может собрать определенное количество света, просмотрев небольшую область с большой точностью или большую область с небольшой точностью. Подобно тому, как микроскоп может удвоить увеличение, вдвое уменьшив диаметр поля зрения, телескоп может заглянуть глубже во Вселенной, сузив свое поле обзора.

Различные телескопы оптимизированы для разных целей. Но компромисс будет очень серьезным. Если мы хотим заглянуть как можно глубже, нам придется выбрать один очень небольшой регион неба.

Это хаббловское чрезвычайно глубокое поле. Крошечная область пространства просматривалась на разных длинах волн в общей сложности 23 дня. Количество информации, которую мы выудили, просто поражает: мы нашли 5500 галактик в этом крошечном клочке неба. Самые тусклые объекты в этом клочке буквально в 10 000 000 000 раз слабее, чем то, что вы можете увидеть на пределе своего невооруженного глаза.

Благодаря зеркалу большого диаметра, наблюдениям на разных длинах волн, расположению в космосе, большому увеличению и небольшому полю зрения, «Хаббл» смог обнаружить самые тусклые галактики, которые только можно разглядеть. Но и этому есть цена: этот снимок, на создание которого потребовалось 23 дня, включает всего 1/32 000 000 часть неба.

С другой стороны, можно посмотреть и так. Этот снимок был сделан с помощью телескопа Pan-STARRS, который каждую ночь просматривает все видимое небо со своего места на Земле. Он сопоставим по размерам с космическим телескопом Хаббла, но оптимизирован для съемки в широком поле, выбирая больший охват неба вместо увеличения.

Как следствие, он может обнаруживать объекты, расположенные практически в любой части неба; только крайний южный полюс отрезан из-за расположения телескопа в северном полушарии. Pan-STARRS захватывает 75% неба и прекрасно регистрирует изменения между точками света. Он может находить кометы, астероиды, объекты пояса Койпера и многое другое. Но эти объекты должен быть в тысячи раз ярче, чем самые тусклые из тех, что находит «Хаббл».

Как бы нам ни хотелось, мы не можем просто исследовать всю внешнюю Солнечную систему с необходимым приближением, чтобы найти все, что в ней есть. Сверхглубокий, сверхтусклый обзор всего неба, вероятно, никогда не будет возможен из-за технологических ограничений; мы можем видеть тусклое в узком диапазоне или яркое в широком, но не оба варианта одновременно.

Существует также еще один ограничивающий фактор, который уходит корнями в начало: эти объекты отражают только солнечный свет. Если вы посмотрите на внешней Солнечной системе на два идентичных объекта, но один будет в два раза дальше, чем другой, он будет в шестнадцать раз тусклее. Это связано с тем, что со временем солнечный свет попадает на далекий объект и тот становится ярче на четверть, но затем отраженный свет должен пройти в двое большее расстояние до наших глаз, в результате чего общая видимая яркость падает как b ~ 1 / r?. Даже если бы в облаке Оорта находился мир размером с Юпитер, мы бы его не нашли.

У нас есть множество телескопов, способны видеть невероятно тусклые объекты, но нам нужно знать, куда их направить. У нас есть множество телескопов, способных обозревать огромные участки неба, но они могут видеть только яркие объекты, а слабые — нет. Что касается объектов в нашей собственной Солнечной системе, поскольку они отражают солнечный свет, а не излучают свой собственный, их нельзя увидеть никаким современным телескопом, если они окажутся за определенным расстоянием.

Получается, что несмотря на все наши знания о Вселенной и нашей собственной планете, задворки нашей Солнечной системы могут всегда оставаться для нас кладезем сюрпризов.