“韦布”出图啦，可这星芒为啥如此耀眼

2023-01-03EasyNight

百科探秘·航空航天 2022年12期

关键词：桁架望远镜形状

文/EasyNight

看韦布望远镜拍摄的第一张彩色深空照片，在形态各异的星系中，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，其实是八角星芒才对。

今年3 月，NASA 发布过一张韦布望远镜拍摄的亮星的校准评估图，当时就能看到这种八角星芒的形状了。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的恒星来拍？

当然不是！那有没有一种可能——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。

◎◎亮星的校准评估图，可见八角星芒

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摄星星，本质都是一个点光源通过光学系统成像的过程。每个光学系统都会有一些“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，这其实就是光的衍射现象。

◎◎光在通过光学系统的“边缘”时，有一部分会“绕”开“边缘”，射到外面去

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。

光在入射时，经过光阑叶片的边缘，就会沿着垂直方向衍射出去。因此，理论上说，光阑的叶片有多少个，星芒就有多少根。有意思的是，叶片数是偶数时，星芒数是与叶片数相同的，例如有6 个叶片，星芒数就是6 根；而叶片数是奇数时，星芒数是叶片数的两倍，例如有5 个叶片，星芒数则是10 根。这是因为“边缘”上发生的衍射是同时向两侧发散的。叶片数为偶数时，两侧的衍射尖峰正好对齐；而叶片数为奇数时，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，用相机拍摄的照片中，是不会出现奇数根星芒的。

其实不需要相机，“星芒”实验用人眼就能实现，因为人眼的瞳孔就是个光学系统呀。我们在夜里看路灯时，经常能看到“光芒四射”，这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。而当你眯上双眼看灯光，上下两条“灯芒”会变得格外明显。

◎◎相机镜头的光阑，通常由多个叶片构成

◎◎光阑叶片数目不同，拍出来的星芒也不同

◎◎肉眼看到的“灯芒”

◎◎哈勃空间望远镜拍摄的星暴星系MCG07-33-027（左），注意右侧那颗银河系内的亮星，出现了明显的十字星芒

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，为什么拍摄出的星星也会出现非常尖锐的十字星芒呢？

这时候，造成衍射的就不再是光阑的“边缘”，而是望远镜的桁（héng）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，因为副镜本身没法儿悬浮在镜筒中央，所以就需要有几根桁架来支撑它。

正是这几根桁架，对光的入射起到了阻挡的作用。十字支撑的桁架就会产生尖锐的十字星芒效果，哈勃空间望远镜就属于这种情况。如果是3 根桁架呈正三角形支撑，那形成的星芒就是六角星芒。

◎◎普通反射式望远镜的结构，跟哈勃空间望远镜大体类似

◎◎不同的桁架，会产生不同的星芒

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，星芒就会延伸得越长；光阑太大或者桁架太宽，衍射效果就会变弱，星芒会显得很短。

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望远镜“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，韦布望远镜的主镜由18 块六边形镜面拼接而成，副镜则由3 根桁架支撑。现在，我们可以解释韦布望远镜拍到的恒星图像为什么会有八角星芒了：拼接成的镜片整体呈六角形，拥有6个边缘，类似六片式光阑，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产生一对星芒。