2022年7月12日，韋布空間望遠(yuǎn)鏡（James Webb Space Telescope，以下簡(jiǎn)稱“韋布”）發(fā)布了第一批全彩色的照片。其中，一些圖像上出現(xiàn)了八個(gè)角的“星星”。

韋布的第一張全彩色圖，由近紅外相機(jī)拍攝。圖中出現(xiàn)了一些顯示八角芒的天體。 圖片來源：NASA, ESA, CSA, STScI

為什么韋布會(huì)拍出這樣的八角星？韋布照片里的八角星都是恒星嗎？為什么不同波長(zhǎng)的圖像中的芒角的明顯程度不同？這里，就讓我們?nèi)ソ议_這些問題的答案。

一、韋布為什么會(huì)拍出八角星？

這些八角星的八個(gè)芒角是由光的衍射導(dǎo)致。光的衍射指的是光繞過障礙物傳播的現(xiàn)象。對(duì)于反射望遠(yuǎn)鏡，主鏡面負(fù)責(zé)將星光反射到副鏡面，后者進(jìn)一步將光反射后傳遞給探測(cè)器/相機(jī)或第三個(gè)鏡面。在望遠(yuǎn)鏡的實(shí)際觀測(cè)中，主鏡面自身與副鏡的支架都會(huì)引起衍射現(xiàn)象。

韋布空間望遠(yuǎn)鏡的結(jié)構(gòu)，衍射與主鏡、副鏡及其支架均有關(guān)系 圖片來源：NASA

主鏡面的衍射由其邊緣引起，產(chǎn)生的衍射圖案由其邊緣的形狀決定，衍射光的方向垂直于邊緣。如果主鏡面是N邊形的，產(chǎn)生的衍射光分別垂直于N條邊，經(jīng)過主焦面時(shí)，中心重合，形成N對(duì)（2N個(gè)）芒角。對(duì)于正N邊形，如果N為偶數(shù)，N對(duì)芒角會(huì)重疊為N/2對(duì)（N個(gè)）；如果N為奇數(shù)，N對(duì)芒角彼此不重疊，依然顯示為N對(duì)（2N個(gè)）。如果主鏡面是圓形的，就相當(dāng)于無窮多條邊，產(chǎn)生的衍射芒角就沿著半徑朝外，各方向都有，從而形成同心衍射圓環(huán)，不顯示芒角。

不同形狀的主鏡面產(chǎn)生不同形狀、不同數(shù)目的芒角。 圖片來源：Cmglee）

光照射副鏡支架，也會(huì)產(chǎn)生衍射現(xiàn)象。如果副鏡面的支架有N條邊，也會(huì)產(chǎn)生垂直于邊的衍射光，經(jīng)過主焦面后也形成N對(duì)（2N個(gè)）芒角。只要支架的某兩條邊在主鏡的投影位于同一直線或平行，對(duì)應(yīng)的芒角也會(huì)重疊，導(dǎo)致芒角數(shù)目減少，如下圖。

不同位形的副鏡支架產(chǎn)生不同形狀、不同數(shù)目的芒角。左側(cè)為支架示意圖，第二列為形成的成對(duì)的芒角；第三列為進(jìn)入主焦面后的芒角，右側(cè)為形成的芒角圖案。

圖片來源：NASA, ESA, CSA, Leah Hustak (STScI), Joseph DePasquale (STScI)

不同形狀的主鏡與不同的副鏡支架的組合，產(chǎn)生了不同形態(tài)的衍射芒角。先以著名的哈勃空間望遠(yuǎn)鏡（Hubble Space Telescope，以下簡(jiǎn)稱“哈勃”）為例，它的主鏡面是圓形的，支架是十字型的4條邊，因此形成的衍射圖案是同心圓環(huán)疊加4個(gè)芒角，例如下圖中由哈勃拍攝的天狼星的圖像。

哈勃的WFPC2于2003年10月15日拍攝的天狼星（圖中大白圓）與天狼星B（左下角的小白點(diǎn)）。為例排除天狼星B，這張照片被過度曝光，因此其主鏡的衍射環(huán)特別明顯。4個(gè)芒角為支架衍射導(dǎo)致。 圖片來源：NASA, ESA, H. Bond (STScI), and M. Barstow (University of Leicester)

韋布的主鏡面由多塊六邊形鏡面拼接而成，副鏡面的支架有3條邊，如下圖所示。

韋布的主鏡形狀與副鏡支架形狀。左為側(cè)視圖，右為正視圖。 圖片來源：NASA, ESA, CSA, Leah Hustak (STScI), Joseph DePasquale (STScI)

因此，韋布主鏡面產(chǎn)生6個(gè)長(zhǎng)的芒角，支架產(chǎn)生6個(gè)短的芒角，共12個(gè)芒角。但專家們?cè)O(shè)計(jì)了角度，使副鏡面支架產(chǎn)生的4個(gè)短芒角與主鏡面產(chǎn)生的4個(gè)長(zhǎng)芒角重疊在一起，只顯現(xiàn)出6長(zhǎng)2短共8個(gè)芒角。

韋布的主鏡產(chǎn)生6個(gè)長(zhǎng)的芒角，副鏡產(chǎn)生6個(gè)短的芒角，后者中的4個(gè)與前者中的4個(gè)重疊，總體上顯示出6長(zhǎng)2短的8個(gè)芒角。 圖片來源：NASA, ESA, CSA, Leah Hustak (STScI), Joseph DePasquale (STScI)

韋布拍攝的船底座星云中的NGC 3324的全彩圖。圖中顯示出八角芒的天體是銀河系內(nèi)的恒星。 圖片來源：NASA, ESA, CSA, and STScI

只有那些看起來特別亮的點(diǎn)狀天體才會(huì)產(chǎn)生芒角。而能夠在望遠(yuǎn)鏡里顯得特別亮的天體當(dāng)然首推銀河系內(nèi)的恒星。事實(shí)上，韋布拍攝到的深場(chǎng)圖、南環(huán)狀星云、“斯蒂芬五重奏”與船底座星云里的絕大多數(shù)八角星都是銀河系內(nèi)的天體。

二、韋布照片里的八角星都是恒星嗎？

答案是否定的。上面我們說過，絕大多數(shù)帶有芒角的點(diǎn)狀源是銀河系內(nèi)的恒星。我們強(qiáng)調(diào)“絕大部分”，是因?yàn)檫€有例外——有些八角星是其他天體。

韋布拍攝的NGC 7319（位于“斯蒂芬五重奏”圖像頂端）的核心就是一個(gè)反例：它的中紅外圖像顯示出明顯的八角芒，但它不是恒星，而是一個(gè)明亮的活動(dòng)星系核。

韋布拍攝的“斯蒂芬五重奏”。左為近紅外相機(jī)拍攝的近紅外圖像，右為MIRI拍攝的中紅外圖像。中紅外圖像中，位于頂端的NGC 7319的核心顯示出明顯的八角芒。 圖片來源：NASA, ESA, CSA, STScI

NGC 7319核心的強(qiáng)烈的中紅外輻射意味著它核心的外圍富含塵埃。塵埃不同程度地遮蔽了核心區(qū)域發(fā)出的強(qiáng)列的紫外線、可見光與近紅外線。塵埃自身被紫外線與可見光加熱后，溫度升高，發(fā)出了強(qiáng)烈的中紅外輻射。

活動(dòng)星系核比星系小得多，如果它們異常明亮，那么從遙遠(yuǎn)的距離看過去就像明亮的恒星，用一些望遠(yuǎn)鏡拍攝它們時(shí)也會(huì)顯示出芒角，韋布拍攝的NGC 7319核心的中紅外圖像的八角芒就是這種情況。

必須指出的是，在韋布之前，其他望遠(yuǎn)鏡也早已拍攝到一些明亮的活動(dòng)星系核，它們也顯示出明顯的衍射芒角。下圖中由哈勃拍攝的類星體（活動(dòng)星系核中最亮的一類）3C273就是一個(gè)例子，它顯示出了明顯的四角芒。

哈勃的WFPC2拍攝的類星體3C273（位于圖中心）的可見光圖像，具有明顯的環(huán)狀衍射圖案與四角芒。3C273是人類發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)類星體。 圖片來源：ESA/Hubble & NASA

活動(dòng)星系核的巨大亮度一度是一個(gè)謎。不過，過去幾十年的研究已經(jīng)在理論上基本達(dá)成一個(gè)共識(shí)：活動(dòng)星系核核心的中心有巨大的黑洞，黑洞周圍的氣體與塵埃圍繞著黑洞下落，形成“吸積盤”；吸積盤中的物質(zhì)落向黑洞的過程中，會(huì)將自身的引力勢(shì)能的一部分轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，使自身的溫度升高，發(fā)出非常明亮的紫外、可見光、紅外輻射。紫外線與可見光加熱了周圍的塵埃，使其發(fā)出紅外線為主的輻射。

活動(dòng)星系核的結(jié)構(gòu)示意圖。中心黑點(diǎn)為黑洞（Black Hole），黑洞周圍的盤為吸積盤(Accretion Disk)，外圍的環(huán)（Torus）由氣體與塵埃構(gòu)成。 圖片來源：NASA

活動(dòng)星系核周圍的塵埃往往是環(huán)狀的，如果觀測(cè)者與活動(dòng)星系核之間恰好被塵埃環(huán)擋住，活動(dòng)星系核的吸積盤發(fā)出的強(qiáng)烈光芒就會(huì)被遮蔽。這種情況下，塵埃環(huán)自身的中紅外輻射就比較突出。

由于韋布在中紅外方面出色的探測(cè)能力，它在研究活動(dòng)星系核外圍的塵埃方面有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。對(duì)這些塵埃發(fā)出的中紅外輻射的研究，對(duì)于人們了解活動(dòng)星系核的塵埃的物理性質(zhì)甚至塵埃環(huán)的幾何位形都有重要的作用。

活動(dòng)星系核中的黑洞與吸積盤構(gòu)成的系統(tǒng)會(huì)還會(huì)發(fā)射出噴流（jet）。這些噴流垂直于吸積盤的方向，速度接近真空中的光速，噴流內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生大量射電輻射。不過，僅有一部分活動(dòng)星系核會(huì)產(chǎn)生噴流。上面的類星體3C 273的圖中，中心左上的條狀物就是它發(fā)出的一條噴流。

三、為什么不同波長(zhǎng)的圖像中的芒角的明顯程度不同？

韋布發(fā)布的圖還有一個(gè)特征：對(duì)同一對(duì)象拍攝的圖，近紅外與中紅外的芒角的明顯程度不一樣。

以韋布拍攝的NGC 7319的兩張圖像為例。這個(gè)星系的核心的近紅外圖像只隱約顯示出芒角，而它的中紅外圖像卻顯示出非常明顯的八角芒。這是因?yàn)镹GC 7319的核心的塵埃發(fā)出的中紅外輻射比近紅外輻射亮得多。

南環(huán)狀星云（NGC 3132）中心的恒星也體現(xiàn)出“不同波段的芒角明顯程度不同”的特征，但情況卻完全相反：它的中紅外圖像中的芒角比近紅外圖像的芒角弱得多。這是因?yàn)檫@顆星溫度較高，它的中紅外比近紅外輻射暗得多。

韋布拍攝的南環(huán)狀星云（NGC 3132）。左為近紅外相機(jī)拍攝的近紅外圖像，右為MIRI拍攝的中紅外圖像。 圖片來源：NASA, ESA, CSA, STScI

當(dāng)然，芒角的明顯程度還與波長(zhǎng)自身（長(zhǎng)波的衍射現(xiàn)象比短波更明顯）、曝光時(shí)間等因素有關(guān)。

四、探索無止境

其實(shí)，除了八個(gè)角的“星星”，韋布得到的這些細(xì)節(jié)滿滿的照片里值得分析的地方還有很多，它們隱藏著宇宙萬物乃至于宇宙自身的眾多秘密，等待人類去破解。

當(dāng)年的莊子曾悲觀地感嘆：“吾生也有涯，而知也無涯，以有涯隨無涯，殆已?！?那么，我們還有必要努力探索嗎？我們的答案是—當(dāng)然！正是一代代科學(xué)家對(duì)無涯的知識(shí)海洋的接力式探索，讓人類一步步破解宇宙萬物與宇宙自身的秘密，讓人類得以擺脫蒙昧無知的狀態(tài)，并獲取了知識(shí)帶來的樂趣。

在廣袤的宇宙中，人類是渺小的；但在對(duì)未知的探索中，人類又是偉大的。探索無止境，愿我們同行。

出品：科普中國(guó)

作者：王善欽

監(jiān)制：中國(guó)科普博覽