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記者專欄
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15.8萬光年外的恒星 為什么有“尖角”

2022-05-07 11:23 來源:錢江晚報 鄭琳

  同學(xué)們還記得去年12月底發(fā)射的詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡嗎?這臺耗資100億美元的超級望遠(yuǎn)鏡,最近已經(jīng)傳回了第一批圖像!

  上周,韋伯望遠(yuǎn)鏡完成了校準(zhǔn)調(diào)試,并拍攝傳回了測試圖片,令全球的天文學(xué)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(xué)物理學(xué)過的一個知識光的衍射相關(guān)。本期,我們邀請杭二中物理老師王愷,為大家出幾個相關(guān)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(zhǔn)調(diào)試以后,韋伯望遠(yuǎn)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(zhuǎn),是銀河系周圍最大的一個衛(wèi)星星系。

  在測試拍攝完成后,工程師們說,韋伯望遠(yuǎn)鏡的光學(xué)性能比最樂觀的預(yù)測還要好。歐洲航天局科學(xué)與探索高級顧問表示:“詹姆斯韋伯沒有違反物理學(xué)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(xué)家們找了另外兩臺紅外太空望遠(yuǎn)鏡與韋伯望遠(yuǎn)鏡的圖像進(jìn)行對比。它們分別是寬紅外勘測探測器(WISE)望遠(yuǎn)鏡,以及斯皮策太空望遠(yuǎn)鏡,它們都拍攝了LMC星系。

  對比的結(jié)果令人震驚,韋伯望遠(yuǎn)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(yuǎn)鏡看起來就像“近視眼”。

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

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

  同學(xué)們可能會問,韋伯望遠(yuǎn)鏡的性能高,天文學(xué)家和工程師們不是應(yīng)該早就知道嗎?為什么他們還是會震驚呢?確實,在韋伯望遠(yuǎn)鏡發(fā)射前,科學(xué)家們在地面上已經(jīng)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(yuǎn)鏡的分鏡被設(shè)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(xué)們也許注意到了,韋伯望遠(yuǎn)鏡拍攝的照片中,有一顆很亮的恒星,呈現(xiàn)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(yuǎn)鏡拍出的“角”銳利得多。

  那么,大家是否想過,遠(yuǎn)方的恒星和我們的太陽一樣,應(yīng)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(xué)物理課上學(xué)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(yuǎn)鏡中用于支撐副鏡的桿子,或者相機(jī)光圈邊緣的光衍射產(chǎn)生的。韋伯望遠(yuǎn)鏡是一臺反射望遠(yuǎn)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(jī)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(wěn)定。不管這些支撐結(jié)構(gòu)有多么細(xì),它都會擋住一小部分入射光線。

  根據(jù)我們中學(xué)物理學(xué)過的知識,當(dāng)光遇到障礙物時,會產(chǎn)生偏離原來直線傳播,繞過障礙物繼續(xù)傳播的現(xiàn)象,這就是衍射。所以,當(dāng)遙遠(yuǎn)的星光入射時,會有一些光線掠過支撐桿,發(fā)生微小的偏轉(zhuǎn),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(chǎn)生類似的效果。當(dāng)你在夜晚瞇著眼睛,然后看遠(yuǎn)處的路燈,很容易看到衍射現(xiàn)象。光源越亮,衍射越明顯。

  其實,星芒會嚴(yán)重干擾觀測,所以韋伯拍攝的這顆恒星只是用來調(diào)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(xué)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(fā)布。

(責(zé)任編輯:支艷蓉)

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15.8萬光年外的恒星 為什么有“尖角”

2022-05-07 11:23 來源:錢江晚報
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