韦布出图啦！可这星芒为啥如此扎眼？

千呼万唤始出来！
拖延14年、超支20倍、价值100亿美元的詹姆斯·韦布空间望远镜，终于“剧透”了它的第一张彩色深空照片——星系团SMACS 0723。

韦布望远镜的首张彩色深空照片 | NASA, ESA, CSA, and STScI
之所以说“剧透”，是因为按照NASA原定的计划，韦布拍摄的首批彩色照片（不止这一张哟）应该在北京时间今晚22:30发布。只不过，鉴于全世界的天文学家都期盼已久，连NASA自己都迫不及待了，这张照片便在今天凌晨借美国总统拜登之手提前流出了。

今晚20点起，果壳视频号将开启直播，邀请多位天文学家及科普达人，从这张深空照片开始，聊一聊被称戏为鸽王之王的韦布空间望远镜，顺便一起等待首批彩色照片中其他几张图片的出炉。
果壳也将在明天为你带来首批全部照片的科学解读，敬请期待。

上图局部，少数带有星芒的是我们银河系内的恒星，其他天体都是遥远的星系。| NASA, ESA, CSA, and STScI
回到韦布拍摄的这第一张彩色深空照片，除了形态各异少长咸集的星系、因时空弯曲而分身扭曲的引力透镜，图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（6+2）角星芒才对。

3个多月前，韦布望远镜发布过一张亮星的校准评估图，当时就能看到这种八角星芒的形状了。

3月16日发布的韦布校准效果图，同样可见八角星芒 | NASA/STScI
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恒星来拍？
当然不是（手动狗头）。

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。
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星星，本质都是一个点光源通过光学系统成像的过程。
是光学系统，就总会有一些“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，这就是衍射现象。

光在通过边缘时，有一部分会“绕”开边缘，射到外面去 | EasyNight
绕开的这些光芒，会沿着垂直于边缘的方向发散出去；如果边缘的形状还很规则，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。

相机镜头的光阑，通常由多个叶片构成 | Steed
光在入射时，经过光阑边缘，就会沿着垂直方向衍射出去。因此，理论上说，叶片有多少片，星芒就有多少芒——

光阑叶片数目不同，拍出来的星芒也不同 | Cmglee
有意思的是，叶片数是偶数时，如6片的光阑，星芒就是6根；而叶片是奇数时，如5片，星芒则是两倍的10根。
这是因为，边缘上发生的衍射是同时向两侧发散的。偶数叶片时，两侧的衍射尖峰正好对齐；而奇数叶片时，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，相机拍摄的照片中，是不会出现奇数根星芒的。

数数看，每个路灯有多少根芒？| 夜空中国 & 勿道晚安
其实不需要相机，“星芒”实验用人眼就能实现，因为人眼的瞳孔不就是这么个光学系统的“边缘”吗！
我们在夜里看路灯时，经常能感到“光芒四射”，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。而当你眯缝上双眼看灯光，上下两条“灯芒”就变得格外明显。

肉眼也能看到“灯芒” | EasyNight
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，为什么也会出现非常尖锐的十字星芒呢？

哈勃望远镜拍摄的星暴星系MCG+07-33-027，注意右侧那颗银河系内的亮星，出现了明显的十字星芒 | ESA/Hubble & NASA and N. Grogin (STScI)
这时候，造成衍射的“罪魁祸首”就不再是光阑的边缘了，而是望远镜的桁架了。
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。副镜本身也没法悬浮在镜筒中央不是？所以，就需要有几根桁架来支撑它，像下图这样：

普通反射式望远镜的结构，跟哈勃空间望远镜大体类似 | Steed
正是这几根桁架，对光的入射起到了阻挡的作用。你敢阻挡我，我就偏要绕开你！所以，十字支撑的桁架，就会产生尖锐的十字星芒效果，哈勃望远镜就属于这种情况。如果桁架是三角支撑，那形成的星芒就是六角星芒。

不同的副镜桁架，会产生不同的星芒 | Cmglee
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，星芒就会延伸到越长的位置；光阑太大或者桁架太宽，衍射效应就会变弱，星芒会显得很短。
换个说法，“宽度”也可以看成是空间上的“频率”信息，而衍射过程，相当于从一张空间图案中，提取出频率信息，并可视化地展示出来 —— 这话是不是听着眼熟？没错，衍射星芒其实就是对光阑和桁架进行的二维傅里叶变换。
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“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，其中下侧两根与六边形镜面的边缘保持平行，而上侧的一根为垂直方向。

韦布望远镜的“自拍照” | NASA/STScI
现在，我们可以解释韦布望远镜拍到的照片上，恒星为什么会有八（6+2）角星芒了——

镜片整体呈六角形，拥有6个边缘，类似6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，则会在水平方向上额外产生一对星芒。
不信，把上面这张“自拍照”直接做一个二维傅里叶变换看看：

韦布“自拍照”的二维傅里叶变换 | EasyNight
是不是基本上复刻出韦布星芒的形状啦！

回放一下韦布望远镜公布的首张彩色照片，注意恒星的星芒，跟上一张图几乎一模一样 | NASA, ESA, CSA, and STScI
星芒的“妙用”
折射式望远镜没有反射式望远镜的桁架，不会遮挡入射光。这本来是件好事，可有人偏就想拍漂亮的星芒，怎么办呢？
那…… 没有困难，可以创造困难嘛！
只需在镜筒前粘上几根细线，就可以了。像图中这样，制造出四角星芒、六角星芒、八角星芒，都不是难事。

望远镜前绑细线，可以人造出星芒 | EasyNight
这不，真就有人这么玩过。在镜头前面绑上3根细线，对着亮星拍照（这里是金星），就能拍出六角星芒的效果——

人造六芒金星实拍 | 夜空中国 & 马小虎
还有一种做法是，直接在前端滤镜蚀刻上规则的纹样，也可以人为产生星芒的梦幻般效果。这种滤镜叫作“星光镜”。

不同星光镜的效果演示 | hoyafilter.com
没有星光镜，也很容易体验这种效果。晚上，透过纱窗看看外面的街灯试试，是不是也有十字光芒出现？
然而，对于天文观测而言，星芒可不是什么好事。
一方面，明亮的星芒有可能会遮盖住背景里较暗的天体，使后者难以观测；另一方面，星芒“分走”了一部分星光，对于测光（测量恒星的亮度）而言也增加了难度。
因此，有些光学设备为了避免星芒，特制了偏焦或者散焦装置，但同时也会带来成像质量下降的问题，实在是无法两全其美。

韦布首张彩照里的亮星星芒，遮盖了附近的天体，就还挺烦人的…… | NASA, ESA, CSA, and STScI
不过话说回来，衍射也不全是坏事。比如，它可以在天文摄影中帮助我们精确对焦。
有一种设备叫做Bahtinov对焦罩，俗称“鱼骨板”，形状就像下面这样——

鱼骨板的标准形状 | Axleottal
鱼骨板就相当于是一组人造的“桁架”。当光线通过鱼骨板时，会向3个不同方向发生衍射，从而产生3对“星芒”。随着望远镜调焦的变化，星芒图案也会发生移动，直到3根尖峰位置对齐，就标志着星点对焦到了最佳的位置。

鱼骨板对焦过程，3根星芒交于一点时，焦就对准了 | Niels Noordhoek
随着韦布望远镜正式开光，今后它一定会源源不断产出更多美图。独特的八（6+2）角星芒，也将成为韦布望远镜的标志而流传下来。
下次再看到这些星芒的时候，你也会知道：这不过是一个眯上双眼就能看到的光学现象，并没什么神秘之处啦！

看到这里，果壳视频号的直播差不多也开始了。赶紧点过去，咱们直播间见啦。
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作者：EasyNight
编辑：Steed
一个AI
看来，这100亿美元花得还挺扎眼的……
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