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2023-01-31
韋布出圖啦！可這星芒為啥如此扎眼？
更新時間：2022-07-13 10:20:19作者：未知
千呼萬喚始出來！
拖延14年、超支20倍、價值100億美元的詹姆斯·韋布空間望遠鏡，終于“劇透”了它的第一張彩色深空照片——星系團SMACS 0723。
韋布望遠鏡的首張彩色深空照片 | NASA, ESA, CSA, and STScI
之所以說“劇透”，是因為按照NASA原定的計劃，韋布拍攝的首批彩色照片（不止這一張喲）應(yīng)該在北京時間今晚22:30發(fā)布。只不過，鑒于全世界的天文學(xué)家都期盼已久，連NASA自己都迫不及待了，這張照片便在今天凌晨借美國總統(tǒng)拜登之手提前流出了。
今晚20點起，果殼視頻號將開啟直播，邀請多位天文學(xué)家及科普達人，從這張深空照片開始，聊一聊被稱戲為鴿王之王的韋布空間望遠鏡，順便一起等待首批彩色照片中其他幾張圖片的出爐。
果殼也將在明天為你帶來首批全部照片的科學(xué)解讀，敬請期待。
上圖局部，少數(shù)帶有星芒的是我們銀河系內(nèi)的恒星，其他天體都是遙遠的星系。| NASA, ESA, CSA, and STScI
回到韋布拍攝的這第一張彩色深空照片，除了形態(tài)各異少長咸集的星系、因時空彎曲而分身扭曲的引力透鏡，圖中最吸引人的可能就是閃耀著六角星芒的那幾顆前景恒星了。
仔細看一看，這些星星的星芒可不止六角呢，左右還有兩根稍暗一些的水平星芒，其實是八（6+2）角星芒才對。
3個多月前，韋布望遠鏡發(fā)布過一張亮星的校準評估圖，當(dāng)時就能看到這種八角星芒的形狀了。
3月16日發(fā)布的韋布校準效果圖，同樣可見八角星芒 | NASA/STScI
所以，是這一類恒星都長成這種自帶星芒的奇怪形狀嗎？還是說，是韋布望遠鏡專挑這種奇怪恒星來拍？
當(dāng)然不是（手動狗頭）。
有沒有一種可能——這種星芒的形狀，正好是韋布望遠鏡在照片上留下的特殊標志呢？
要回答這個問題，得先從星芒的產(chǎn)生開始說起。
星芒的產(chǎn)生
不管是我們用肉眼看星星，還是用相機鏡頭或者天文望遠鏡拍星星，本質(zhì)都是一個點光源通過光學(xué)系統(tǒng)成像的過程。
是光學(xué)系統(tǒng)，就總會有一些“邊緣”。光的波動學(xué)說告訴我們，光在通過這些邊緣的時候，有一部分會“繞”開邊緣射到外面去，這就是衍射現(xiàn)象。
光在通過邊緣時，有一部分會“繞”開邊緣，射到外面去 | EasyNight
繞開的這些光芒，會沿著垂直于邊緣的方向發(fā)散出去；如果邊緣的形狀還很規(guī)則，這些發(fā)散出去的光就會形成尖銳的芒狀。這就是星芒的來歷。因此，星芒還有個名字，叫作衍射尖峰（diffraction spike）。
星芒的不同形狀，就是由這些“邊緣”不同的形狀所決定的。
使用相機拍照時，這些“邊緣”就是相機鏡頭的光闌。為了方便調(diào)節(jié)大小，光闌通常不會是完美的圓形，而是由多個葉片拼接而成。
相機鏡頭的光闌，通常由多個葉片構(gòu)成 | Steed
光在入射時，經(jīng)過光闌邊緣，就會沿著垂直方向衍射出去。因此，理論上說，葉片有多少片，星芒就有多少芒——
光闌葉片數(shù)目不同，拍出來的星芒也不同 | Cmglee
有意思的是，葉片數(shù)是偶數(shù)時，如6片的光闌，星芒就是6根；而葉片是奇數(shù)時，如5片，星芒則是兩倍的10根。
這是因為，邊緣上發(fā)生的衍射是同時向兩側(cè)發(fā)散的。偶數(shù)葉片時，兩側(cè)的衍射尖峰正好對齊；而奇數(shù)葉片時，沒有兩側(cè)可供對齊，衍射尖峰數(shù)量自然就是葉片數(shù)的兩倍了。
換句話說，相機拍攝的照片中，是不會出現(xiàn)奇數(shù)根星芒的。
數(shù)數(shù)看，每個路燈有多少根芒？| 夜空中國 & 勿道晚安
其實不需要相機，“星芒”實驗用人眼就能實現(xiàn)，因為人眼的瞳孔不就是這么個光學(xué)系統(tǒng)的“邊緣”嗎！
我們在夜里看路燈時，經(jīng)常能感到“光芒四射”，就是因為瞳孔邊緣的不規(guī)則形狀，產(chǎn)生了不規(guī)則的“燈芒”效果。而當(dāng)你瞇縫上雙眼看燈光，上下兩條“燈芒”就變得格外明顯。
肉眼也能看到“燈芒” | EasyNight
反射式望遠鏡的星芒
問題來了——并不是所有的望遠鏡都有相機鏡頭那樣的光闌，事實上大多數(shù)望遠鏡根本就沒有光闌。比如，著名的哈勃空間望遠鏡，它的鏡片明明是圓的，為什么也會出現(xiàn)非常尖銳的十字星芒呢？
哈勃望遠鏡拍攝的星暴星系MCG+07-33-027，注意右側(cè)那顆銀河系內(nèi)的亮星，出現(xiàn)了明顯的十字星芒 | ESA/Hubble & NASA and N. Grogin (STScI)
這時候，造成衍射的“罪魁禍首”就不再是光闌的邊緣了，而是望遠鏡的桁架了。
具體來說，反射式望遠鏡的主鏡是安放在鏡筒底端的，而副鏡則在鏡筒前方。副鏡本身也沒法懸浮在鏡筒中央不是？所以，就需要有幾根桁架來支撐它，像下圖這樣：
普通反射式望遠鏡的結(jié)構(gòu)，跟哈勃空間望遠鏡大體類似 | Steed
正是這幾根桁架，對光的入射起到了阻擋的作用。你敢阻擋我，我就偏要繞開你！所以，十字支撐的桁架，就會產(chǎn)生尖銳的十字星芒效果，哈勃望遠鏡就屬于這種情況。如果桁架是三角支撐，那形成的星芒就是六角星芒。
不同的副鏡桁架，會產(chǎn)生不同的星芒 | Cmglee
其實，星芒的衍射圖樣，反映的就是光闌或者桁架在垂直于它的方向上的“寬度”信息。光闌越小、桁架越細，光的衍射效果就越強，星芒就會延伸到越長的位置；光闌太大或者桁架太寬，衍射效應(yīng)就會變?nèi)?，星芒會顯得很短。
換個說法，“寬度”也可以看成是空間上的“頻率”信息，而衍射過程，相當(dāng)于從一張空間圖案中，提取出頻率信息，并可視化地展示出來 —— 這話是不是聽著眼熟？沒錯，衍射星芒其實就是對光闌和桁架進行的二維傅里葉變換。
韋布望遠鏡的八角星芒
今年3月，韋布望遠鏡團隊公布了一張?zhí)厥獾捻f布“自拍照”——這是在主鏡對齊過后，由一顆恒星的星光照亮的所有主鏡鏡面的照片。
可以看到，韋布的主鏡由18塊六邊形鏡面拼接而成，副鏡則由3根桁架支撐，其中下側(cè)兩根與六邊形鏡面的邊緣保持平行，而上側(cè)的一根為垂直方向。
韋布望遠鏡的“自拍照” | NASA/STScI
現(xiàn)在，我們可以解釋韋布望遠鏡拍到的照片上，恒星為什么會有八（6+2）角星芒了——
鏡片整體呈六角形，擁有6個邊緣，類似6片式光闌，因此會產(chǎn)生六角星芒；下側(cè)的兩根桁架產(chǎn)生的衍射，與鏡片6個邊緣中的兩個方向一致，區(qū)分不出來；而上側(cè)豎直方向的桁架，則會在水平方向上額外產(chǎn)生一對星芒。
不信，把上面這張“自拍照”直接做一個二維傅里葉變換看看：
韋布“自拍照”的二維傅里葉變換 | EasyNight
是不是基本上復(fù)刻出韋布星芒的形狀啦！
回放一下韋布望遠鏡公布的首張彩色照片，注意恒星的星芒，跟上一張圖幾乎一模一樣 | NASA, ESA, CSA, and STScI
星芒的“妙用”
折射式望遠鏡沒有反射式望遠鏡的桁架，不會遮擋入射光。這本來是件好事，可有人偏就想拍漂亮的星芒，怎么辦呢？
那…… 沒有困難，可以創(chuàng)造困難嘛！
只需在鏡筒前粘上幾根細線，就可以了。像圖中這樣，制造出四角星芒、六角星芒、八角星芒，都不是難事。
望遠鏡前綁細線，可以人造出星芒 | EasyNight
這不，真就有人這么玩過。在鏡頭前面綁上3根細線，對著亮星拍照（這里是金星），就能拍出六角星芒的效果——
人造六芒金星實拍 | 夜空中國 & 馬小虎
還有一種做法是，直接在前端濾鏡蝕刻上規(guī)則的紋樣，也可以人為產(chǎn)生星芒的夢幻般效果。這種濾鏡叫作“星光鏡”。
不同星光鏡的效果演示 | hoyafilter.com
沒有星光鏡，也很容易體驗這種效果。晚上，透過紗窗看看外面的街燈試試，是不是也有十字光芒出現(xiàn)？
然而，對于天文觀測而言，星芒可不是什么好事。
一方面，明亮的星芒有可能會遮蓋住背景里較暗的天體，使后者難以觀測；另一方面，星芒“分走”了一部分星光，對于測光（測量恒星的亮度）而言也增加了難度。
因此，有些光學(xué)設(shè)備為了避免星芒，特制了偏焦或者散焦裝置，但同時也會帶來成像質(zhì)量下降的問題，實在是無法兩全其美。
韋布首張彩照里的亮星星芒，遮蓋了附近的天體，就還挺煩人的…… | NASA, ESA, CSA, and STScI
不過話說回來，衍射也不全是壞事。比如，它可以在天文攝影中幫助我們精確對焦。
有一種設(shè)備叫做Bahtinov對焦罩，俗稱“魚骨板”，形狀就像下面這樣——
魚骨板的標準形狀 | Axleottal
魚骨板就相當(dāng)于是一組人造的“桁架”。當(dāng)光線通過魚骨板時，會向3個不同方向發(fā)生衍射，從而產(chǎn)生3對“星芒”。隨著望遠鏡調(diào)焦的變化，星芒圖案也會發(fā)生移動，直到3根尖峰位置對齊，就標志著星點對焦到了最佳的位置。
魚骨板對焦過程，3根星芒交于一點時，焦就對準了 | Niels Noordhoek
隨著韋布望遠鏡正式開光，今后它一定會源源不斷產(chǎn)出更多美圖。獨特的八（6+2）角星芒，也將成為韋布望遠鏡的標志而流傳下來。
下次再看到這些星芒的時候，你也會知道：這不過是一個瞇上雙眼就能看到的光學(xué)現(xiàn)象，并沒什么神秘之處啦！
看到這里，果殼視頻號的直播差不多也開始了。趕緊點過去，咱們直播間見啦。
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作者：EasyNight
編輯：Steed
一個AI
看來，這100億美元花得還挺扎眼的……
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