【科普】韋伯望遠鏡發布太空照片,八角星芒扎心,100億美元都解決不了?

天空之城 2022/07/13 檢舉 我要評論

經過望眼欲穿的等待,美國宇航局的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡終于發布了它的第一張太空照片,這張照片清晰地揭示了46億光年外SMACS 0723星系團的許多細節,畫面非常震撼。

韋伯望遠鏡第一張深場圖片

宇宙是如此浩瀚,韋伯圖像所展示的區域有多大呢?它相當于你伸直手臂指向星空,在指尖上放一粒細砂,細砂所覆蓋的面積。圖片中星系大多呈模糊的團狀,一些星系的光因近處的星系重力彎曲了時空而發生扭曲,這種現象被稱作「引力透鏡」。當然,那些射出耀眼星芒的是恒星,它們應該處在距離我們更近的地方。

太空浩瀚

如果將韋伯望遠鏡的星空照片放大,你就會發現恒星的星芒如尖刺一般扎眼,它覆蓋了大面積的空間,并且掩蓋了背后許多星光,天文學家們稱其為「噩夢雪花」。

星芒被稱為「噩夢雪花」

這些星芒是如何產生的?哈勃望遠鏡也有這樣的星芒嗎?

恒星發出的光總體是均勻的,通常不會因某幾個地方更亮而產生「尖刺」,星芒只在我們對其成像時因為光的折射或衍射現象才會出現。

通過哈勃2003年9月至2004年1月間拍攝的一張超深場合成圖片,我們可以看出,它拍的恒星同樣也有星芒,只不過「尖刺」沒有韋伯那麼長且銳利,并且哈勃圖片顯示的星芒是十字形,而非韋伯有八個尖角。

哈勃望遠鏡拍攝的十字星芒

攝影愛好者通常會給自己的相機裝備一些「小道具」,使拍攝的照片顯示出不一樣的效果。用星芒鏡就能讓太陽、星星或者燈光散發出十字、六角或更多更明顯的「星芒」。

星芒鏡是在透明玻璃的表面蝕刻不同角度的條紋,當光穿過這些條紋時,就會因衍射現象形成星芒。

攝影愛好者用星芒鏡拍攝星芒

沒有一個天文學家喜歡星芒,它給宇宙觀測帶來干擾,許多人都希望除之而后快,更不可能畫蛇添足地在天文望遠鏡的前邊裝這麼一面星芒鏡。

事實上星芒是由望遠鏡本身的設計缺陷造成的,無論是耗資近百億美元的韋伯望遠鏡,還是花了更多錢的哈勃望遠鏡,它們都存在天生缺陷,這些缺陷加上物理學,是導致星芒困擾的直接原因。

我們知道當波遇到障礙物或者穿過小孔時會產生衍射現象,光本身是電磁波,因此光會產生衍射。

光波穿過縫隙時發生衍射

為了解決不同波長的光穿過透鏡時折射率差異對天文學研究造成的干擾,同時也為減輕重量,空間望遠鏡通常采用反射式鏡面。韋伯望遠鏡就使用了18塊6邊形的鏡子組成一面巨大的主反射鏡,光線通過主鏡反射到前方副鏡,再反射到主鏡后方的第三面鏡子和濾光鏡,之后才投射到傳感器上形成圖像。

星光會在韋伯多個反射鏡間反射

我們將上方光線衍射實驗中有狹縫的板替換成鏡子,就會發現從鏡子反射的光因為衍射而產生了衍射干擾圖案。

光的反射也會產生衍射波紋

韋伯望遠鏡主反射鏡的18塊金屬鏡子并非嚴絲合縫地拼接在一起, 它的每一塊鏡子都需要能獨立調節角度和曲度,鏡子之間彼此保持了大約4毫米的間隙,這使得從主反射鏡反射回來的光都帶有衍射產生的條紋,并且條紋的方向與狹縫的方向呈90°角。

光會在鏡面的邊緣發生衍射

你可能會問,如果消除鏡子之間的縫隙,是不是就能解決星芒的干擾呢?也不行。光的衍射不僅存在于縫隙,在金屬邊緣也會產生明顯的衍射,可以說只要有鏡面就有衍射干擾問題。

韋伯主鏡由6邊形的金屬反射鏡拼成,反射鏡之間呈120°角,因衍射而產生六角星芒,每個「尖刺」之間呈60°夾角。

韋伯的鏡面排列產生六角星芒

細心的你一定注意到它其實還有7、8這兩根「短刺」,它是由什麼原因造成的呢?

為了固定韋伯望遠鏡巨大的副鏡,設計人員給它配備了一個可折疊的支架,其中上方的那根支架與主鏡投影面垂直,入射光線穿過時會被遮擋一部分,正是這些被遮擋的光線最終形成了水平方向的衍射圖案。

副鏡支架衍射產生水平方向星芒

太多反射鏡縫隙與相互平行的銳利邊緣是韋伯望遠鏡有更長更明亮星芒的主要原因,這是由韋伯的設計思想決定的,這個望遠鏡太大,需要在發射時將它折疊起來,否則無法將它送上天。但正如我們在前面所講,衍射現象并非韋伯望遠鏡所獨有,只要主鏡有邊緣,或者為了固定副反射鏡而存在支架,都不可避免地在最終圖像上產生尖刺一般的星芒。

哈勃太空望遠鏡的副鏡由十字形的支架固定在遮光筒里,這個支架必須足夠結實,它對光的衍射作用導致了哈勃圖像上出現星芒。

哈勃望遠鏡副鏡的十字支架產生星芒

衍射不利于天文學觀測,星芒會掩蓋其后方的一部分信息。科學家會通過圖像處理進行部分修正,或者通過長時間重復觀測某個區域,等待后邊的星星顯露出來(宇宙中的天體總在運動之中,望遠鏡自身也在軌道上運動)。除此之外,還真沒有特別好的辦法完全消除這些惱人的星芒。

這還真不是多燒幾億美元就能解決的問題。

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