为什么15.8万光年外的恒星有“尖角”

同学们还记得去年12月底发射的詹姆斯韦伯太空望远镜吗？这台价值100亿美元的超级望远镜最近发回了第一批图像！

上周，韦伯望远镜完成了校准和调试，发回了测试图片，让全世界的天文学家惊叹不已。有趣的是，韦伯拍摄的恒星照片有非常锐利的径向射线。为什么？

原来这和我们中学物理中的一道知识光的衍射有关。本期，我们邀请杭二中物理老师王锴为大家解答一些相关的思考问题。

15.8万光年外的“邻居”

“高清无码”照片震撼。

经过校准和调试，韦伯望远镜使用大麦哲伦云(LMC)作为测试对象。这个星系是我们银河系的“邻居”，距离银河系大约15.8万光年。它环绕银河系运行，是银河系周围最大的卫星星系。

测试拍摄结束后，工程师们表示韦伯望远镜的光学性能比最乐观的预测要好。“詹姆斯韦伯没有违反物理定律，但由于他几十年来非凡的努力，他确实处于太空观测的顶端，”欧洲航天局科学与探索高级顾问说

这些工程图像公开后，天文学家找到了另外两台红外太空望远镜，与韦伯望远镜的图像进行对比。它们是宽红外巡天探测器(WISE)望远镜和斯皮策太空望远镜，它们都拍摄了LMC星系。

对比的结果令人震惊。韦伯望远镜的分辨率有了很大的提高，它捕捉到的恒星图像非常清晰，以前的太空望远镜看起来就像“近视眼”。

韦伯望远镜的光学性能为什么这么优秀？因为，WISE望远镜的直径是40厘米，Spitzer太空望远镜的主镜直径是85厘米，Weber望远镜的主镜直径是6.5米！望远镜越大，分辨率和灵敏度越高。

除了它的大口径，韦伯望远镜还得到了许多精密科学仪器的帮助。同学们，这一次，LMC星系是由韦伯科学套件3354的红外仪器MIRI唯一拍摄的。韦伯还有近红外相机NIRCam，近红外光谱仪NIRSpec等等。这些科学套件将带来更强大的功能。

同学们可能会问，韦伯望远镜的性能高，天文学家和工程师不应该早就知道了吗？为什么他们还是很震惊？的确，在韦伯望远镜发射之前，科学家们已经在地面上测试了它的性能，但地面测试无法覆盖太空中的所有实际操作。比如重力会引起性能的变化。韦伯的镜子被设计成在零重力下具有特定的形状，但在所有地面测试中，它们都不可避免地会因重力而变形。

为什么明星都有尖角？

这是光的衍射。

同学们可能注意到了，在韦伯望远镜拍摄的照片中，有一颗非常明亮的恒星，有着尖锐的星芒。就像我们平时画图的时候，画的都是星星的尖角，只不过韦伯望远镜拍出来的“角”要尖得多。

那么，你有没有想过，遥远的恒星，和我们的太阳一样，应该是球形的？为什么拍出来的照片有星星？其实这就涉及到我们中学物理课上学过的一个知识：光的衍射。

这些耀眼的光线被称为“衍射十字星”，是由望远镜中用来支撑副镜的光束或相机光圈边缘的光线发生衍射而产生的。韦伯是一个反射望远镜。当星光击中最大的主镜时，光线被反射，汇聚到副镜，然后再次反射，被类似相机的传感器捕获。

问题出在这个副镜上。这个副镜要位于主镜的中轴线上，所以必须用柱子支撑，保持稳定。无论这些支撑结构有多薄，都会阻挡一小部分入射光。

根据我们中学物理的知识，光遇到障碍物时，会偏离原来的直线，继续绕着障碍物传播。这就是衍射。因此，当远处的星光入射时，一部分光线会穿过支撑杆，造成轻微的偏转，最终会成像在一个“不存在”的地方，形成星芒。衍射光的形状会因支撑杆的布局而改变，如右图所示。

我们的睫毛和眼睑也可以有类似的效果。晚上眯着眼睛再看远处的路灯，很容易看到衍射现象。光源越亮，衍射越明显。

其实星芒会严重干扰观测，所以韦伯拍摄的星芒只是用来调试和对准镜头，并不是正式的观测。在未来的实际观测中，科学家们将采用一系列操作来消除星芒。韦伯的第一张官方图像，也被称为“第一道光”，将于今年7月发布。