为什么韦伯望远镜的测试照片上有六角星芒？ 第1页

大多数人通常认为闪亮的星星应该是伴有几束尖尖的星光的。事实是，你被骗了。

上面这张照片，来自于韦伯望远镜的测试照，也是人类第一次如此清晰的看清遥远的星光。在这之前，号称“史上最灵敏”的斯皮策太空望远镜也曾用红外阵列相机拍了同一个星星的照片，没有对比就没有伤害：

我们注意到，虽然斯皮策太空望远镜拍出来的比较模糊，但却没有韦伯拍到的那样光芒四射的几束尖锐的星光。

为什么会有这样的星光呢？

（提醒：以下没有公式、没有难懂的专业术语）

衍射十字星(Diffraction Spikes)

不知道你有没有思考过，如果恒星是球状的，那我们为什么要教小朋友把它们画成尖尖的星形呢？

事实上，虽然人们通常在画星星时会画出星芒来，但星芒并不是真实的，这些放射状的夺目光线被称为“衍射十字星”（也译作“衍射尖峰”），它是反射望远镜中用于支撑副镜的杆子、或者相机光圈边缘、甚至是我们眼睫毛和眼睑周围的光衍射产生的。

韦伯是一台反射望远镜，星光照射到最大的主镜后，光线被反射并汇聚到位于镜筒前端的一个副镜（次镜）中，然后再次反射等等被类似相机“CCD传感器”的模块捕捉。

问题就出在反射望远镜的这个副镜上。由于光路原因，副镜要位于主镜的中心轴上^[1]，所以只能用固定在主镜上的支柱支撑住它并保证其稳定。不论这些支撑结构有多细，它们都会挡住一小部分入射光线（就像睫毛会挡住光一样）。

我们初中物理老师教过我们，当波遇到障碍物时，会产生偏离原来直线传播的现象，被称为衍射。当极明亮的星光朝主镜方向射入时，势必会有一些光线会掠过支撑杆，因衍射效应而略微偏转，最终将光转移到最初并不存在的地方上并成像，形成像蜘蛛一样的星芒。它的形状会受到支撑杆布局的影响而改变。

而不同的支撑结构会产生不同的衍射结果^[2]：

你的睫毛和眼皮也会产生类似现象。当你在很暗的晚上眯着眼（小眼睛比较有优势）瞥远处的路灯或者家里的小台灯时，也能很容易地看到这些衍射现象。（光源越亮，衍射越明显）

等等，为什么是八芒星？

如果你仔细对比上面这张图与韦伯拍出来的图像，你会说：不对呀，这看上去有点不太一样嘛，上面那个六芒星是等分的，但照片是不等分的八芒星呀？而且韦伯的支撑杆不是奔驰那样等分的三叉星形呀。

（如果你能看到这里，说明你是认真想了解这知识的，这比知乎小姐姐视频枯燥多了。）

上面提过，衍射不仅可以发生在支撑杆边缘，也可以发生在镜片、入射孔或光圈的锋利边缘上。或者说，衍射取决于镜片的形状以及镜子前方的物体形状。大多数望远镜镜片或入射孔都是圆形的，因此，它造成的衍射通常会产生环状图案（称为艾里斑）。

通常这种环非常微弱，只会让图像变得稍微模糊一点，不能与支撑杆造成的衍射相提并论。比如哈勃就会产生同心环^[3]，但支撑杆造成的衍射更明显，所以用哈勃观测到的星光同时带有衍射十字星和同心环：

但与哈勃不同，韦伯的主镜因为火箭尺寸的限制，只能做成18个蜂窝状的六边形，非圆的边缘会产生更加明显不同的衍射(衍射通常垂直于边缘)。因此，在韦伯拍摄的图像中看到的最亮的那几个衍射星芒并不是由支撑杆引起的，而是由非圆形的主镜镜片边缘引起的。主镜的正六边形外边缘都是60度角，这与6个互成60度角的最亮的星芒相对应。

（这里有个冷知识，我们民用相机的光圈叶片数量会影响到拍出来星芒的数量。当叶片数n是偶数时，会产生n个较粗的星芒，如果n个是奇数，则产生2n个又细又清晰的星芒。比如佳能多为8个叶片，拍出来就是八星芒，徕卡-M多是11个叶片，所以拍出来是22星芒）

支撑杆说：那我呢我呢？

韦伯的副镜安装在三个支撑杆上。下边的两个杆故意设计成与六边形的边平行（或对齐），因此它俩的衍射会重叠在六个星芒中的四个上面。但上面的那个支撑杆是垂直的，因此会形成水平方向上微弱的星芒。下面再来看一次不同杆位形成的衍射图案，注意看最左边那个：

需要注意的是，主镜的每个小镜片的边缘都对星芒有做出贡献。我偷懒一下，直接用了 @uhoh 做的图^[4]。

当我们把小镜片间的空隙“抹去”时，六个较亮的星芒的强度会变弱。

当把支撑杆也去掉时，水平方向的衍射就消失了。

当把主镜变成正六边形时，星芒会改变角度（注意看），成了更加细长锐利的六星芒。

那为什么韦伯拍摄的其它星星没有星芒呢？

上面说过，光源强度越强，衍射越明显。如果亮度不够，衍射就不明显。另外，如果光源不是点状的，那么衍射图案就会分散开来，就更难看到了。

其实星芒会严重干扰观测（同时会低估星星的亮度），所以韦伯拍的这颗星只用于对齐镜片，而不能用于观测，它实在是太亮了。

至于如何消除星芒，这就涉及到光学的傅里叶变换等计算^[5]，这里就不展开了。

你竟然能读到这里，真是太厉害了。

参考

1. ^ 少数反射望远镜会将副镜偏离中心轴来避免衍射。比如赫歇尔望远镜和Schiefspiegler望远镜。但它们都有严重的观测局限，如散光等，这使得在科研上变得用处不大。
2. ^ Harvey JE, Ftaclas C. Diffraction effects of telescope secondary mirror spiders on various image-quality criteria. Appl. Opt. 1995;34:6337–6349. doi: 10.1364/AO.34.006337.
3. ^ Burrows CJ, et al. The imaging performance of the hubble space telescope. The Astrophysical Journal. 1991;369:L21–L25. doi: 10.1086/185950
4. ^ https://astronomy.stackexchange.com/a/48843
5. ^ https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6240111/