五角星的角度(五角星的度数是固定的吗)

出品:科普中国

作者:王善勤

监制:中国科普博览

2022年7月12日，詹姆斯·韦伯太空望远镜(以下简称“韦伯”)发布了首批全彩照片。其中，一些图像中出现了八颗有棱角的“星星”。

韦布的第一张全彩色图，由近红外相机拍摄。图中出现了一些显示八角芒的天体。 图片来源：NASA, ESA, CSA, STScI魏的第一张全彩色照片是用近红外照相机拍摄的。图中出现了一些呈现八角芒的天体。图片:美国航天局，欧空局，加空局，STScI

韦伯为什么要拍这样的八角星？韦伯照片里的八角星都是星星吗？为什么不同波长的图像芒角的表观程度不同？在这里，我们来揭开这些问题的答案。

1.韦伯为什么要拍八角星？

这些八角星的八个角是由光的衍射造成的。光的衍射是指光绕过障碍物传播的现象。对于反射式望远镜，主镜负责将星光反射到副镜，副镜进一步反射光线，并将其传输到探测器/相机或第三面镜。在望远镜的实际观测中，主镜本身和副镜的支撑都会引起衍射。

韦布空间望远镜的结构，衍射与主镜、副镜及其支架均有关系 图片来源：NASA卫空之间望远镜的结构和衍射与主镜、次镜及其支架有关。图片来源:NASA

主镜面的衍射是由其边缘引起的，产生的衍射图样是由其边缘的形状决定的。衍射光的方向垂直于边缘。如果主镜是N面的，产生的衍射光分别垂直于N面，当通过主焦平面时，中心重合形成N对(2N mans)。对于正N边形，若N为偶数，则N对芒角重叠成N/2对(N)；如果n为奇数，则n对芒角互不重叠，仍显示为n对(2N)。如果主镜是圆形的，相当于无穷多个面，产生的衍射芒角是沿半径向外的，各个方向都有，这样就形成了一个同心的衍射环，不显示芒角。

不同形状的主镜面产生不同形状、不同数目的芒角。 图片来源：Cmglee不同形状的主镜产生不同的形状和不同数量的芒角。图片:Cmglee

当光线照射次镜支架时，也会发生衍射。如果次镜的支撑有N条边，也会产生垂直于边的衍射光，通过主焦面后也会形成N对(2N)芒角。只要支架的某两边在主镜上的投影在同一条直线上或平行，对应的芒角就会重叠，导致芒角数量减少，如下图所示。

次镜支架的不同配置产生不同的形状和不同数量的芒角。左边是支架示意图，第二列是成型的一对喇叭；第三列是进入主焦平面后的芒角，右侧是形成的芒角图形。图片来源:美国航天局、欧空局、加空局、Leah Hustak (STSCI)、Joseph de Pasquale (STSCI)

不同形状的主镜和不同支撑的次镜组合产生不同形状的衍射芒角。以第一台著名的哈勃太空望远镜(以下简称“哈勃”)为例。它的主镜是圆形的，它的支架有四个十字形的边。所以形成的衍射图样是四个芒角叠加的同心圆环，比如下图中哈勃拍摄的天狼星图像。

天狼星(图中白色的大圆圈)和天狼星B(左下角的小白点)是由哈勃的WFPC2于2003年10月15日拍摄的。为了排除天狼星B，这张照片曝光过度，所以它主镜的衍射环特别明显。四个芒角是由支架的衍射引起的。图像来源:美国航天局、欧空局、h .邦德(STSCI)和m .巴斯托(莱斯特大学)

魏的主镜由许多六角镜组成，副镜的支架有三面，如下图所示。

魏的主镜造型和次镜支架造型。左视图，右前视图。图片来源:美国航天局、欧空局、加空局、Leah Hustak (STSCI)、Joseph de Pasquale (STSCI)

所以韦伯主镜面产生6个长芒角，支架产生6个短芒角，共计12个芒角。但专家设计角度，让副镜支架产生的四个短芒角与主镜产生的四个长芒角重叠，只出现了6长2短的8个芒角。

魏的主镜产生六个长芒，副镜产生六个短芒。后者的四个与前者的四个重叠，显示八个芒，六个长，两个短。图片来源:美国航天局、欧空局、加空局、Leah Hustak (STSCI)、Joseph de Pasquale (STSCI)

韦布拍摄的船底座星云NGC 3324的全彩图。图中显示有八角芒的恒星是银河系中的一颗恒星。图片:美国宇航局，欧空局，加空局和STScI

只有那些看起来特别亮的点状物体才会产生芒角。在望远镜中能显得特别明亮的天体当然是银河系中的第一批恒星。事实上，韦布的深视场图片中的八角星、南环状星云、斯蒂芬五重奏和船底座星云都是银河系中的天体。

2.韦伯照片里的八角星都是星星吗？

答案是否定的，就像我们上面说的，大部分有角的点源都是银河系里的恒星。我们强调“绝大多数”，是因为有例外——有些八角星是其他天体。

韦布拍摄的NGC 7319的核心(位于“斯蒂芬五重奏”图像的顶部)是一个反例:它的中红外图像显示出明显的八角芒，但它不是一颗恒星，而是一个明亮的活动星系核。

韦布的《斯蒂芬五重奏》。左图是近红外相机拍摄的近红外图像，右图是MIRI拍摄的中红外图像。在中红外图像中，顶部的NGC 7319核心呈现出明显的八角芒。图片:美国航天局，欧空局，加空局，STScI

NGC 7319核心强烈的中红外辐射意味着其核心外围富含尘埃。尘埃在不同程度上屏蔽了核心区域发出的强烈的紫外线、可见光和近红外线。尘埃本身被紫外线和可见光加热后，温度上升，发出强烈的中红外辐射。

活动星系核比星系小得多。如果它们异常明亮，从远处看就像明亮的星星。当用一些望远镜拍摄时，它们也会显示出芒角。韦伯拍摄的NGC 7319核心中红外图像的八角芒就是这种情况。

必须指出的是，在韦伯之前，其他望远镜已经拍摄到了一些明亮的活动星系核，也显示出了明显的衍射角。下图中哈勃拍摄的类星体3C273(最亮类型的活动星系核)就是一个例子，它呈现出明显的四角。

哈勃的WFPC2拍摄的类星体3C273(位于图的中央)可见光图像有明显的环形衍射图样和四个角。3C273是人类发现的第一颗类星体。图片:欧空局/哈勃和美国宇航局

活动星系核的巨大亮度曾经是个谜。但过去几十年的研究在理论上基本达成共识:活动星系核的核心中央存在一个巨大的黑洞，黑洞周围的气体和尘埃围绕着它坠落，形成“吸积盘”；当吸积盘中的物质落到黑洞中时，会将其部分引力势能转化为内能，使其温度升高，发出非常明亮的紫外、可见光和红外辐射。紫外线和可见光加热周围的尘埃，使其发出红外辐射。

活动星系核结构示意图。黑洞的中心是黑洞，黑洞周围的圆盘是吸积盘，黑洞周围的环面由气体和尘埃组成。图片来源:NASA

活动星系核周围的尘埃通常是环状的。如果尘埃环恰好阻挡在观测者和活动星系核之间，活动星系核吸积盘发出的强光就会被阻挡。在这种情况下，尘埃环本身的中红外辐射更加突出。

Webb在研究活动星系核周围的尘埃方面有着得天独厚的优势，因为它在中红外有着出色的探测能力。对这些尘埃发出的中红外辐射的研究，对于了解活动星系核中尘埃的物理性质，甚至尘埃环的几何构型都有重要作用。

活动星系核中的黑洞和吸积盘系统也会发出喷流。这些喷流垂直于吸积盘方向，速度接近true 空中的光速，喷流中会产生大量的射电发射。然而，只有一部分活动星系核会产生喷流。在类星体3C 273的上图中，中心左上方的条带是来自它的喷流。

3.为什么不同波长的图像中芒角的表观度数不同？

威步发布的图片还有一个特点:对于同一物体的图片，近红外和中红外的芒角显现程度是不一样的。

以韦伯拍摄的两张NGC 7319图像为例。这个星系核心的近红外图像只是模糊地显示了芒角，而它的中红外图像显示了非常明显的八角芒。这是因为NGC 7319核心中的尘埃发出的中红外辐射比近红外辐射亮得多。

南环星云(NGC 3132)中心的恒星也表现出“不同波段芒角的表观程度不同”的特征，但情况完全相反:其中红外图像中的芒角比其近红外图像中的芒角弱得多。这是因为这颗恒星的温度更高，它的中红外辐射比近红外辐射暗得多。

韦布拍摄的南环状星云(NGC 3132)。左图是近红外相机拍摄的近红外图像，右图是MIRI拍摄的中红外图像。图片:美国航天局，欧空局，加空局，STScI

当然，芒角的明显程度还与波长本身(长波的衍射现象比短波更明显)、曝光时间等因素有关。

第四，探索无止境。

其实，除了有八个角的“星星”，韦布获得的这些细节照片还有很多值得分析的地方。它们隐藏着宇宙万物乃至宇宙本身的许多秘密，等待着人类去解开。

庄子曾沮丧地感叹:“我的生命是有限度的，而我的知识是没有限度的。有了限制，我就快死了。”那么，我们有必要努力探索吗？我们的回答是——当然！正是一代又一代科学家对无边无际的知识海洋的接力探索，使人类得以一步步破解宇宙万物和宇宙本身的秘密，使人类摆脱愚昧，获得知识带来的快感。

浩瀚宇宙中，人类渺小；但是在对未知的探索中，人类是伟大的。探索永无止境。愿我们一起走。