文/EasyNight

文/EasyNight

看韋布望遠(yuǎn)鏡拍攝的第一張彩色深空照片，在形態(tài)各異的星系中，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(xì)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，其實是八角星芒才對。

今年3 月，NASA 發(fā)布過一張韋布望遠(yuǎn)鏡拍攝的亮星的校準(zhǔn)評估圖，當(dāng)時就能看到這種八角星芒的形狀了。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(yuǎn)鏡專挑這種奇怪的恒星來拍？

當(dāng)然不是！那有沒有一種可能——這種星芒的形狀，正好是韋布望遠(yuǎn)鏡在照片上留下的特殊標(biāo)志呢？要回答這個問題，得先從星芒的產(chǎn)生開始說起。

◎◎亮星的校準(zhǔn)評估圖，可見八角星芒

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(yuǎn)鏡拍攝星星，本質(zhì)都是一個點光源通過光學(xué)系統(tǒng)成像的過程。每個光學(xué)系統(tǒng)都會有一些“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，這其實就是光的衍射現(xiàn)象。

◎◎光在通過光學(xué)系統(tǒng)的“邊緣”時，有一部分會“繞”開“邊緣”，射到外面去

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。

光在入射時，經(jīng)過光闌葉片的邊緣，就會沿著垂直方向衍射出去。因此，理論上說，光闌的葉片有多少個，星芒就有多少根。有意思的是，葉片數(shù)是偶數(shù)時，星芒數(shù)是與葉片數(shù)相同的，例如有6 個葉片，星芒數(shù)就是6 根；而葉片數(shù)是奇數(shù)時，星芒數(shù)是葉片數(shù)的兩倍，例如有5 個葉片，星芒數(shù)則是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。葉片數(shù)為偶數(shù)時，兩側(cè)的衍射尖峰正好對齊；而葉片數(shù)為奇數(shù)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，用相機拍攝的照片中，是不會出現(xiàn)奇數(shù)根星芒的。

其實不需要相機，“星芒”實驗用人眼就能實現(xiàn)，因為人眼的瞳孔就是個光學(xué)系統(tǒng)呀。我們在夜里看路燈時，經(jīng)常能看到“光芒四射”，這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)你瞇上雙眼看燈光，上下兩條“燈芒”會變得格外明顯。

◎◎相機鏡頭的光闌，通常由多個葉片構(gòu)成

◎◎光闌葉片數(shù)目不同，拍出來的星芒也不同

◎◎肉眼看到的“燈芒”

◎◎哈勃空間望遠(yuǎn)鏡拍攝的星暴星系MCG07-33-027（左），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

反射式望遠(yuǎn)鏡的星芒

問題來了——并不是所有的望遠(yuǎn)鏡都有相機鏡頭那樣的光闌，事實上大多數(shù)望遠(yuǎn)鏡根本就沒有光闌，比如著名的哈勃空間望遠(yuǎn)鏡，它的鏡片明明是圓的，為什么拍攝出的星星也會出現(xiàn)非常尖銳的十字星芒呢？

這時候，造成衍射的就不再是光闌的“邊緣”，而是望遠(yuǎn)鏡的桁（héng）架了。具體來說，反射式望遠(yuǎn)鏡的主鏡是安放在鏡筒底端的，而副鏡則在鏡筒前方，因為副鏡本身沒法兒懸浮在鏡筒中央，所以就需要有幾根桁架來支撐它。

正是這幾根桁架，對光的入射起到了阻擋的作用。十字支撐的桁架就會產(chǎn)生尖銳的十字星芒效果，哈勃空間望遠(yuǎn)鏡就屬于這種情況。如果是3 根桁架呈正三角形支撐，那形成的星芒就是六角星芒。

◎◎普通反射式望遠(yuǎn)鏡的結(jié)構(gòu)，跟哈勃空間望遠(yuǎn)鏡大體類似

◎◎不同的桁架，會產(chǎn)生不同的星芒

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(xì)，光的衍射效果就越強，星芒就會延伸得越長；光闌太大或者桁架太寬，衍射效果就會變?nèi)?，星芒會顯得很短。

韋布望遠(yuǎn)鏡的八角星芒

今年3月，韋布望遠(yuǎn)鏡團(tuán)隊公布了一張?zhí)厥獾捻f布望遠(yuǎn)鏡“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，韋布望遠(yuǎn)鏡的主鏡由18 塊六邊形鏡面拼接而成，副鏡則由3 根桁架支撐?，F(xiàn)在，我們可以解釋韋布望遠(yuǎn)鏡拍到的恒星圖像為什么會有八角星芒了：拼接成的鏡片整體呈六角形，擁有6個邊緣，類似六片式光闌，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產(chǎn)生一對星芒。

◎◎韋布望遠(yuǎn)鏡的“自拍照”

星芒的“妙用”

折射式望遠(yuǎn)鏡沒有反射式望遠(yuǎn)鏡的桁架，不會遮擋入射光——這本來是件好事，可有人偏偏就想拍出漂亮的星芒，怎么辦呢？只需在鏡筒前加上幾根細(xì)線就“大功告成”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。

另外，直接在鏡筒前端濾鏡蝕刻上規(guī)則的紋樣也可以人為產(chǎn)生星芒，這種濾鏡叫作“星光鏡”。假如你沒有星光鏡，也可以找替代品來體驗這種效果，例如試一試晚上透過紗窗看看外面的街燈，是不是也能看到十字“燈芒”？

對于天文觀測而言，出現(xiàn)星芒可算不上好事。一方面，明亮的星芒有可能會遮住背景里較暗的天體，使后者難以被觀測；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，但這同時也會帶來成像質(zhì)量下降的問題。

隨著韋布望遠(yuǎn)鏡正式開始工作，今后它一定會源源不斷地產(chǎn)出更多美麗的圖像。這張八角星芒圖也將成為韋布望遠(yuǎn)鏡的標(biāo)志而流傳下去。

下次再看到星芒的時候，你就可以對身邊的人說：這不過是一個瞇上雙眼就能看到的光學(xué)現(xiàn)象，并沒有什么神秘之處啦！

◎◎在望遠(yuǎn)鏡前加上細(xì)線，可以造出星芒

◎◎韋布望遠(yuǎn)鏡首張彩色深空照片里的亮星星芒，遮蓋了附近的天體