美國國家航空航天局NASA建立深度感知

美國國家航空航天局NASA建立深度感知

美國國家航空航天局NASA建立深度感知

美國國家航空航天局NASA建立深度感知

當您看著距離您很遠的物體時,您能分辨出它到底有多遠?我們做到這一點的能力被稱為深度感知。儘管我們的某些深度感知是由於諸如相對運動,表觀尺寸,紋理漸變以及您可以用一隻眼睛觀察到的其他事物之類的東西引起的,但最普遍的視覺提示來自我們的雙目視覺:兩隻眼睛位於不同的位置彼此之間。

我們雙眼之間的分離是三維成像或深度感知的關鍵。在天文學中,這是極端的,因為兩個望遠鏡之間的距離可以非常好地分開:地球直徑同時出現,或者如果它們在太空中則更大。與地球通信的最遙遠的操作望遠鏡是超越冥王星的NASA新視野號。4月22日至23日,“新視野”將與地球合作,進行有史以來最長的基線視差測量,您將為您提供幫助。這是方法及其背後的科學。

當您睜開一隻眼睛時,您會看到與照片類似的外部世界:三維世界被壓縮成二維快照。實際上,不同的對象之間的距離是不同的,但是基於單個快照,您無法分辨出對象是較大/明亮還是相距較遠,還是它們較小/較弱且相距較近。

但是,如果您的另一隻眼睛在不同的位置,則很容易將您的大腦想象成兩套信息。親自“查看”此圖像的最佳方法是,在相對較遠的背景前,將您的拇指一直伸到您的面前。當您在左眼和右眼之間切換時,一次只睜一隻眼,您會看到拇指相對於背景移動的明顯位置。

拇指看起來移動的原因很簡單:用左眼看到的視線將拇指放置在與右眼視線不同的相對位置。從數學上講,您的眼睛與正在查看的任何對象都形成一個狹窄的三角形,並且該對象越近,該對象處的狹窄角度越大。物體離得越遠,角度太小以至於您無法觀察到它。

如果物體無限遠,則角度會降至零,這就是為什麼僅憑眼睛就無法分辨月球或行星是否是恆星的原因。但是,如果物體離得足夠近,您可以分辨出左眼和右眼之間存在角度差異,那麼您將看到在天文學中稱為視差的東西。

遙遠的物體看上去形成的視差角在幾何上完全取決於兩個距離:


  • 兩隻“眼睛”之間的距離

  • 以及到那個物體的距離。


雖然對於我們大多數人來說,兩眼之間的距離可能只有幾英寸(大約6或7釐米),但我們並不僅限於將自己的眼睛用於天文學。我們可以在全球範圍內安裝望遠鏡,最大直徑為地球直徑的基準距離:約12,700公里。儘管這看起來似乎是一個巨大的距離,但您必須將其與距星星的距離(以光年或數十萬億公里為單位)進行比較。

許多世紀以來,沒有觀察到這樣的視差,最主要的解釋是恆星必須非常非常遠。如果即使最接近的恆星也是如此遙遠,以至於它們甚至在整個地球直徑範圍內都不會相對於更遙遠的恆星改變位置,那麼我們只有兩種選擇:

1. 製造高分辨率的望遠鏡,能夠測量小到更精確角度的位置,

2. 和/或嘗試設計一種方法來測量比地球直徑更長的基線距離。

隨著太陽系日心模型的興起,第二部分在16和17世紀得到了巨大的推動。如果地球繞著太陽公轉,那麼從冬至夏至夏天,基線比從日出到日落的12,700公里(繞地球軸旋轉180°)要大得多,大約3億公里冬至(地球繞太陽公轉180度)。

從1800年代中期開始,天文學已經得到了充分改善,以至於最近的恆星可以開始顯示其視差。1838年,弗里德里希·貝塞爾(Friedrich Bessel)宣佈了61 Cygni星的視差:這是第一個已知(並迅速確認)有視差的恆星。幾乎在此之後,弗里德里希·斯特魯夫(Friedrich Struve)公佈了Vega的視差(以及距Vega的視差),托馬斯·亨德森(Thomas Henderson)緊隨其後,到達了距地球最近的恆星系中最亮的成員半人馬座Alpha。

即使兩隻“眼睛”是天文望遠鏡而不是肉眼,它們之間的距離也越大,您可以更好地測量深度,距離並真正瞭解宇宙:在三個維度上,而不是作為二維快照。即使在今天,視差測量也是我們發現距最近恆星距離的最佳方法,而ESA的Gaia任務是迄今為止該方法最精確的觀測站。

但是,即使蓋亞(Gaia)也僅處於地球圍繞太陽的同一軌道上,這意味著其視差測量的最大基線僅為2 AU,其中“ AU”表示天文單位,即地球與太陽的平均距離。

至少在基線方面,如果我們有一個離地球很遠的天文臺,並且可以從與我們完全不同的角度測量恆星,那將是更好的選擇。通過將基線延伸到更大的距離,甚至跨越太陽系,甚至超過太陽系,我們都可以進行有史以來最大的視差測量。通過同時(或在相對論控制的宇宙中)同時對地球進行觀測,我們可以最大程度地減少標準視差測量所遭受的混淆效應:遙遠的恆星本身隨時間移動,甚至經過短短几個月。

儘管有四個與太陽相距很遠的航天器-旅行者1號和2號以及先驅10號和11號-但它們不再具有成功瞄準遠距離恆星並將數據發送回地球的能力。但是,距離第五遠的是美國宇航局的“新視野”:著名的航天器是經過冥王星(及其衛星)以及後來的微小柯伊伯帶天體Arrokoth很少。

2020年4月,新視野將離太陽超過46 AU:將近80億公里(50億英里)。從它的角度來看,離地球最近的恆星應該出現在天空中的位置與我們從地球的角度來看存在的位置明顯不同。如果我們可以同時測量“新視野”和地球的這些恆星,我們應該能夠探測到科學史上最大的天文視差。

在科學激動人心的時刻,這不僅會真正發生,而且擁有足夠大的望遠鏡和數碼相機的公民科學家也將能夠參與實驗。4月22日至23日,新視野號將指向並拍攝距地球最近的兩顆微弱恆星的圖像:Proxima Centauri(4.24光年)和Wolf 359(7.9光年)。

如果您使用的相機望遠鏡的孔徑為6英寸(15釐米)或更大,那麼您將有可能觀測這些恆星。通過結合地面天文學家獲得的地面數據和“新視野”數據天文學家託德·勞厄(Tod Lauer)表示,將製作有史以來最長基線的3D圖像。

通過從我們的星球和NASA的New Horizons航天器拍攝到距地球最近的兩個恆星,人類將構建恆星的3D圖像,就好像我們的兩隻眼睛彼此相距近50億英里(80億公里)。它不僅壯觀地展示了NASA的“新視野”已經走了多遠,而且還使我們可以瞥見我們對宇宙的微不足道的謙卑事實。

我們都知道,我們在地球上看到的恆星的相對位置是我們當前觀點所獨有的:我們在空間和時間上的位置。從任何其他角度來看,由於每個太陽系都有不同的夜空,所以星星和星座看上去會大不相同。第一次,我們將以前所未有的巨人的深度感知來觀察宇宙:它的眼睛比太陽冥王星的距離還大。這些定於五月發佈的圖像將使我們對宇宙的瞭解前所未有。



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