• 15.8萬光年外的恒星 為什么有“尖角”

    業界 | 2022-05-08 05:31:14
    時間:2022-05-08 05:31:14   /   來源: 錢江晚報      /   點擊數:()

    同學們還記得去年12月底發射的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡嗎?這臺耗資100億美元的超級望遠鏡,最近已經傳回了第一批圖像!

    上周,韋伯望遠鏡完成了校準調試,并拍攝傳回了測試圖片,令全球的天文學家嘆為觀止。有趣的是,韋伯拍到的恒星照片,有非常銳利的放射狀光芒,這是為什么?

    原來,這和我們中學物理學過的一個知識光的衍射相關。本期,我們邀請杭二中物理老師王愷,為大家出幾個相關的思考題。

    15.8萬光年外的“鄰居”

    “高清無碼”照令人震驚

    在完成了校準調試以后,韋伯望遠鏡用大麥哲倫星系(LMC)作為試拍攝對象。這個星系是我們所在的銀河系的“鄰居”,距離銀河系大約15.8萬光年,它繞著銀河系運轉,是銀河系周圍最大的一個衛星星系。

    在測試拍攝完成后,工程師們說,韋伯望遠鏡的光學性能比最樂觀的預測還要好。歐洲航天局科學與探索高級顧問表示:“詹姆斯韋伯沒有違反物理學定律,但由于幾十年來的非凡努力,它確實處于太空觀測的頂端。”

    在這些工程圖像公開后,天文學家們找了另外兩臺紅外太空望遠鏡與韋伯望遠鏡的圖像進行對比。它們分別是寬紅外勘測探測器(WISE)望遠鏡,以及斯皮策太空望遠鏡,它們都拍攝了LMC星系。

    對比的結果令人震驚,韋伯望遠鏡的分辨率大大提高了,它拍攝到的恒星圖像如此清晰,使得從前的太空望遠鏡看起來就像“近視眼”。

    為什么韋伯望遠鏡的光學性能如此優秀呢?因為,WISE望遠鏡的直徑是40厘米,斯皮策太空望遠鏡主鏡的直徑是85厘米,而韋伯望遠鏡的主鏡直徑有6.5米!口徑越大的望遠鏡,分辨率和靈敏度當然越高。

    除了口徑大,韋伯望遠鏡還有很多精密科學儀器套件的幫助。同學們注意,這次拍攝LMC星系的只是韋伯一個科學套件——中紅外儀器MIRI拍攝到的照片。韋伯望遠鏡還有近紅外照相機NIRCam、近紅外攝譜儀NIRSpec等等,這些科學套件還會帶來更多強大的功能。

    同學們可能會問,韋伯望遠鏡的性能高,天文學家和工程師們不是應該早就知道嗎?為什么他們還是會震驚呢?確實,在韋伯望遠鏡發射前,科學家們在地面上已經測試過它的性能,但地面測試并不能覆蓋太空里所有的實際運行情況。例如,重力會引起性能的變化。韋伯望遠鏡的分鏡被設計為在零重力下具有特定的形狀,但在所有地面試驗中,它們不可避免地會因重力而變形。

    為什么星星有“尖角”

    這是光的衍射

    同學們也許注意到了,韋伯望遠鏡拍攝的照片中,有一顆很亮的恒星,呈現出銳利的尖形星芒。就像我們平時畫畫的時候,會把星星畫出尖尖的角一樣,只不過韋伯望遠鏡拍出的“角”銳利得多。

    那么,大家是否想過,遠方的恒星和我們的太陽一樣,應該是球形的,為什么拍攝出來的照片有星芒呢?其實,這就涉及到我們中學物理課上學過的一個知識:光的衍射。

    這些放射狀的奪目的光線叫“衍射十字星”,它是望遠鏡中用于支撐副鏡的桿子,或者相機光圈邊緣的光衍射產生的。韋伯望遠鏡是一臺反射望遠鏡,星光照射到最大的主鏡后,光線被反射,匯聚到副鏡中,然后再次反射,被類似相機的傳感器捕捉。

    問題就出在這個副鏡上。這個副鏡要位于主鏡的中心軸上,所以必須用支柱支撐它以保持穩定。不管這些支撐結構有多么細,它都會擋住一小部分入射光線。

    根據我們中學物理學過的知識,當光遇到障礙物時,會產生偏離原來直線傳播,繞過障礙物繼續傳播的現象,這就是衍射。所以,當遙遠的星光入射時,會有一些光線掠過支撐桿,發生微小的偏轉,最終就會在“不存在”的地方成像,形成星芒。衍射光線的形狀會受到支撐桿布局的影響而改變,如右圖所示。

    我們的眼睫毛和眼皮也能產生類似的效果。當你在夜晚瞇著眼睛,然后看遠處的路燈,很容易看到衍射現象。光源越亮,衍射越明顯。

    其實,星芒會嚴重干擾觀測,所以韋伯拍攝的這顆恒星只是用來調試、對齊鏡片的,并不是正式的觀測。在今后的實際觀測中,科學家會用一系列操作消除星芒。韋伯的第一張正式圖像,也就是被稱作“第一道光”的圖像將在今年7月份發布。

    標簽:Lucid

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