韦布出图啦!可这星芒为啥如此扎眼?

热点资讯2022-07-13 10:20:19未知

韦布出图啦!可这星芒为啥如此扎眼?

千呼万唤始出来!

拖延14年、超支20倍、价值100亿美元的詹姆斯·韦布空间望远镜,终于“剧透”了它的第一张彩色深空照片——星系团SMACS 0723。


韦布望远镜的首张彩色深空照片 | NASA, ESA, CSA, and STScI

之所以说“剧透”,是因为按照NASA原定的计划,韦布拍摄的首批彩色照片(不止这一张哟)应该在北京时间今晚22:30发布。只不过,鉴于全世界的天文学家都期盼已久,连NASA自己都迫不及待了,这张照片便在今天凌晨借美国总统拜登之手提前流出了。

今晚20点起,果壳视频号将开启直播,邀请多位天文学家及科普达人,从这张深空照片开始,聊一聊被称戏为鸽王之王的韦布空间望远镜,顺便一起等待首批彩色照片中其他几张图片的出炉。

果壳也将在明天为你带来首批全部照片的科学解读,敬请期待。


上图局部,少数带有星芒的是我们银河系内的恒星,其他天体都是遥远的星系。| NASA, ESA, CSA, and STScI

回到韦布拍摄的这第一张彩色深空照片,除了形态各异少长咸集的星系、因时空弯曲而分身扭曲的引力透镜,图中最吸引人的可能就是闪耀着六角星芒的那几颗前景恒星了。

仔细看一看,这些星星的星芒可不止六角呢,左右还有两根稍暗一些的水平星芒,其实是八(6+2)角星芒才对。

3个多月前,韦布望远镜发布过一张亮星的校准评估图,当时就能看到这种八角星芒的形状了。


3月16日发布的韦布校准效果图,同样可见八角星芒 | NASA/STScI

所以,是这一类恒星都长成这种自带星芒的奇怪形状吗?还是说,是韦布望远镜专挑这种奇怪恒星来拍?

当然不是(手动狗头)。

有没有一种可能——这种星芒的形状,正好是韦布望远镜在照片上留下的特殊标志呢?

要回答这个问题,得先从星芒的产生开始说起。

星芒的产生

不管是我们用肉眼看星星,还是用相机镜头或者天文望远镜拍星星,本质都是一个点光源通过光学系统成像的过程。

是光学系统,就总会有一些“边缘”。光的波动学说告诉我们,光在通过这些边缘的时候,有一部分会“绕”开边缘射到外面去,这就是衍射现象


光在通过边缘时,有一部分会“绕”开边缘,射到外面去 | EasyNight

绕开的这些光芒,会沿着垂直于边缘的方向发散出去;如果边缘的形状还很规则,这些发散出去的光就会形成尖锐的芒状。这就是星芒的来历。因此,星芒还有个名字,叫作衍射尖峰(diffraction spike)。

星芒的不同形状,就是由这些“边缘”不同的形状所决定的。

使用相机拍照时,这些“边缘”就是相机镜头的光阑。为了方便调节大小,光阑通常不会是完美的圆形,而是由多个叶片拼接而成。


相机镜头的光阑,通常由多个叶片构成 | Steed

光在入射时,经过光阑边缘,就会沿着垂直方向衍射出去。因此,理论上说,叶片有多少片,星芒就有多少芒——


光阑叶片数目不同,拍出来的星芒也不同 | Cmglee

有意思的是,叶片数是偶数时,如6片的光阑,星芒就是6根;而叶片是奇数时,如5片,星芒则是两倍的10根。

这是因为,边缘上发生的衍射是同时向两侧发散的。偶数叶片时,两侧的衍射尖峰正好对齐;而奇数叶片时,没有两侧可供对齐,衍射尖峰数量自然就是叶片数的两倍了。

换句话说,相机拍摄的照片中,是不会出现奇数根星芒的。


数数看,每个路灯有多少根芒?| 夜空中国 & 勿道晚安

其实不需要相机,“星芒”实验用人眼就能实现,因为人眼的瞳孔不就是这么个光学系统的“边缘”吗!

我们在夜里看路灯时,经常能感到“光芒四射”,就是因为瞳孔边缘的不规则形状,产生了不规则的“灯芒”效果。而当你眯缝上双眼看灯光,上下两条“灯芒”就变得格外明显。


肉眼也能看到“灯芒” | EasyNight

反射式望远镜的星芒

问题来了——并不是所有的望远镜都有相机镜头那样的光阑,事实上大多数望远镜根本就没有光阑。比如,著名的哈勃空间望远镜,它的镜片明明是圆的,为什么也会出现非常尖锐的十字星芒呢?


哈勃望远镜拍摄的星暴星系MCG+07-33-027,注意右侧那颗银河系内的亮星,出现了明显的十字星芒 | ESA/Hubble & NASA and N. Grogin (STScI)

这时候,造成衍射的“罪魁祸首”就不再是光阑的边缘了,而是望远镜的桁架了。

具体来说,反射式望远镜的主镜是安放在镜筒底端的,而副镜则在镜筒前方。副镜本身也没法悬浮在镜筒中央不是?所以,就需要有几根桁架来支撑它,像下图这样:


普通反射式望远镜的结构,跟哈勃空间望远镜大体类似 | Steed

正是这几根桁架,对光的入射起到了阻挡的作用。你敢阻挡我,我就偏要绕开你!所以,十字支撑的桁架,就会产生尖锐的十字星芒效果,哈勃望远镜就属于这种情况。如果桁架是三角支撑,那形成的星芒就是六角星芒。


不同的副镜桁架,会产生不同的星芒 | Cmglee

其实,星芒的衍射图样,反映的就是光阑或者桁架在垂直于它的方向上的“宽度”信息。光阑越小、桁架越细,光的衍射效果就越强,星芒就会延伸到越长的位置;光阑太大或者桁架太宽,衍射效应就会变弱,星芒会显得很短。

换个说法,“宽度”也可以看成是空间上的“频率”信息,而衍射过程,相当于从一张空间图案中,提取出频率信息,并可视化地展示出来 —— 这话是不是听着眼熟?没错,衍射星芒其实就是对光阑和桁架进行的二维傅里叶变换。

韦布望远镜的八角星芒

今年3月,韦布望远镜团队公布了一张特殊的韦布“自拍照”——这是在主镜对齐过后,由一颗恒星的星光照亮的所有主镜镜面的照片。

可以看到,韦布的主镜由18块六边形镜面拼接而成,副镜则由3根桁架支撑,其中下侧两根与六边形镜面的边缘保持平行,而上侧的一根为垂直方向。


韦布望远镜的“自拍照” | NASA/STScI

现在,我们可以解释韦布望远镜拍到的照片上,恒星为什么会有八(6+2)角星芒了——

镜片整体呈六角形,拥有6个边缘,类似6片式光阑,因此会产生六角星芒;下侧的两根桁架产生的衍射,与镜片6个边缘中的两个方向一致,区分不出来;而上侧竖直方向的桁架,则会在水平方向上额外产生一对星芒。

不信,把上面这张“自拍照”直接做一个二维傅里叶变换看看:


韦布“自拍照”的二维傅里叶变换 | EasyNight

是不是基本上复刻出韦布星芒的形状啦!


回放一下韦布望远镜公布的首张彩色照片,注意恒星的星芒,跟上一张图几乎一模一样 | NASA, ESA, CSA, and STScI

星芒的“妙用”

折射式望远镜没有反射式望远镜的桁架,不会遮挡入射光。这本来是件好事,可有人偏就想拍漂亮的星芒,怎么办呢?

那…… 没有困难,可以创造困难嘛!

只需在镜筒前粘上几根细线,就可以了。像图中这样,制造出四角星芒、六角星芒、八角星芒,都不是难事。


望远镜前绑细线,可以人造出星芒 | EasyNight

这不,真就有人这么玩过。在镜头前面绑上3根细线,对着亮星拍照(这里是金星),就能拍出六角星芒的效果——


人造六芒金星实拍 | 夜空中国 & 马小虎

还有一种做法是,直接在前端滤镜蚀刻上规则的纹样,也可以人为产生星芒的梦幻般效果。这种滤镜叫作“星光镜”。


不同星光镜的效果演示 | hoyafilter.com

没有星光镜,也很容易体验这种效果。晚上,透过纱窗看看外面的街灯试试,是不是也有十字光芒出现?

然而,对于天文观测而言,星芒可不是什么好事。

一方面,明亮的星芒有可能会遮盖住背景里较暗的天体,使后者难以观测;另一方面,星芒“分走”了一部分星光,对于测光(测量恒星的亮度)而言也增加了难度。

因此,有些光学设备为了避免星芒,特制了偏焦或者散焦装置,但同时也会带来成像质量下降的问题,实在是无法两全其美。


韦布首张彩照里的亮星星芒,遮盖了附近的天体,就还挺烦人的…… | NASA, ESA, CSA, and STScI

不过话说回来,衍射也不全是坏事。比如,它可以在天文摄影中帮助我们精确对焦。

有一种设备叫做Bahtinov对焦罩,俗称“鱼骨板”,形状就像下面这样——


鱼骨板的标准形状 | Axleottal

鱼骨板就相当于是一组人造的“桁架”。当光线通过鱼骨板时,会向3个不同方向发生衍射,从而产生3对“星芒”。随着望远镜调焦的变化,星芒图案也会发生移动,直到3根尖峰位置对齐,就标志着星点对焦到了最佳的位置。


鱼骨板对焦过程,3根星芒交于一点时,焦就对准了 | Niels Noordhoek

随着韦布望远镜正式开光,今后它一定会源源不断产出更多美图。独特的八(6+2)角星芒,也将成为韦布望远镜的标志而流传下来。

下次再看到这些星芒的时候,你也会知道:这不过是一个眯上双眼就能看到的光学现象,并没什么神秘之处啦!

看到这里,果壳视频号的直播差不多也开始了。赶紧点过去,咱们直播间见啦。

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作者:EasyNight

编辑:Steed

一个AI

看来,这100亿美元花得还挺扎眼的……

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本文标签: 韦布  空间望远镜  望远镜  恒星  主镜  

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