星星为啥是星形的?明明是大圆蛋啊!

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  相信大家都知道,夜空中的恒星,都像蛋一样,是无尽太空中一颗颗浑圆的火球。但是如果让你提起笔来画一颗的话,似乎画出的总是一个个的——五角星?

  为什么我们要用五角星来代表星星?这可能是一个数学问题,因为我们笔尖不用离开纸面,一笔五画就可以画出一个五角星。你可能不一定注意过,但是这样的效率高得可怕,要知道画一个最简单的空心三芒星,都需要六画。


  天天画五角星,或许都忽略了它的好处。图片:老猫


  需要六画的空心三芒星。图片:老猫

  当然我们还有很多很多其它的手段来表现星星。譬如最简单的,用两条直线组成的四芒星、四条直线组成的八芒星,复杂的话则感觉根本没有上限,有些人会一层层地描绘星星的“星芒”,直到实在画不下了为止。


  约翰·拜耳《测天图》局部——看上去就亮得不成样子的那颗,是全天第九亮星参宿四。图片:wiki commons

  然而从物理上来说,星星都是远在天边的巨大火球,绝大部分星星都是完美的球形,除了刚刚我们提到的参宿四。参宿四是一颗剧烈膨胀的红色超巨星,和其它恒星相比,它一点也不圆,但是和五角星比较起来,它还是圆墩墩的,看不出一丝棱角。


  参宿四的艺术想象图,这幅图的尺标是整个太阳系。图片:wiki commons

  你可能会说:“我们有图有真相啊,你看看哈勃望远镜照出来的照片,星星都是有星芒的!”但是照片所表现的,真的是真相吗?


  哈勃空间望远镜所拍摄的最著名的照片之一,M16鹰星云的局部。图中的每颗星星,都长着四个长长的角。图片:NASA, ESA, and the Hubble Heritage Team (STScI/AURA)

  实际上,照片只是通过特定仪器,在几种介质上记录下的物体的像而已,很多很多的光学现象会影响记录的准确性。光线在镜头镜片间的反射造成的“炫光”、不同颜色的光在镜头玻璃中的折射率不同而导致的“紫边”,在现实中都是不存在的。给星星装上角的,是另外一种光学现象——衍射


  月球登陆器的照片也少不了炫光的影响。左上角的大光球在事实上是不存在的,右下角那几个蓝紫色、红色的暗色光晕也是。对,别以为哈苏相机上装上最好的蔡司镜头,就不会产生炫光了!图片:NASA

  光的衍射,指的是光有绕过物体,被物体后正后方的眼睛观测到的能力,这是光波粒二相性的表现之一。不要害怕,我们不会太过纠结于这个艰深的知识点,我们只需要由这个点衍生出的光的衍射图样就好。

  单色激光通过狭缝或者光栅形成的衍射图样。图片:mit.edu

  当然,这里我们也不打算来计算不同波长的单色光衍射图样会有什么差别,只需说一个结论就好:用相机拍摄一个点光源,如果光源和底片之间存在一条直线障碍的话,照片上的点光源影像就会产生一条与之垂直的,中间亮两边逐渐变暗的细线。


  大概就是这样。图片:wiki commons

  是不是感觉有的衍射图样似曾相识?是不是有的光斑和之前哈勃望远镜照出来的一毛一样?


  哈勃太空望远镜组装时的照片,最左边那一坨黑色的圆柱形是望远镜的二级镜片,支撑它的八根(特别细的)黑色支架,从正面看,其实等效于上图的图5。望远镜拍出来的星芒与衍射图样类似,也就再正常不过了。图片:NASA

  对,这就是哈勃望远镜的结构导致的。哈勃这样的反射型望远镜需要一个置于主反射镜正前方的二级镜片,这组镜片不可能凭空出现在那里,必然有支撑结构,而那四根支撑,就成为了孕育星芒的温床。来看一架稍微简单一些的牛顿反射望远镜吧:


  就是前面那个细小的十字形结构,给照片里的星星插上了美妙的星芒。图片:bhphotovideo.com

  实际上,这种物镜的支持结构使用三条支架的也很多,所以看见六芒星(这里我们说的不是大卫星“”)也不要太过惊讶:


  一张向日葵星系(M63)的照片,六射星芒十分显眼。图片:republika.pl

  如果光学系统里没有这讨厌的支架,譬如说我们用折射望远镜,或者更简单一些,直接用相机,来拍星星呢?有的时候,我们的确可以避免这些本不该存在的星芒,但是有的时候星芒依然不请自来,这是咋回事儿?


  是的,有星芒的可以不只是星星,任何一个足够强的光源都可以发出“星芒”。图片:Andrew Kee

  这次捣乱的依然是阻挡光线的结构,不是位于视场的中间,而是边缘。熟悉相机的朋友一定知道相机里有一个叫做“光圈”的结构,这个结构是用来控制进入镜头的光量,进而影响和照片亮度和景深的结构。因为光圈本身结构的限制,收小的光圈都是多边形的,而正是这样的多边形,造成了衍射。


  典型光圈结构示意图。图片:dianajuncher.dk


  镜头里的光圈结构。图片:trazeetravel.com

  正如反射望远镜支架数量各不相同,镜头光圈的页片数量也是各种各样的,因此照出来的星芒也是五花八门。一般来说,偶数片光圈页片的镜头拍出来的星芒和光圈页片数相同,而奇数页片的镜头拍出来的星芒数则是光圈页片的两倍。


  光圈如果是圆形的,或者全开光圈的话,其实是可以避免星芒出现的。图片:wiki commons

  说到底,我们之所以能在照片上看到星芒,都是因为器材的光学缺陷。但是在相机、望远镜发明之前,似乎大家画星星的时候也都长着“角”?上文引用的拜耳《测天图》成书于1603年,那时候望远镜还没有被发明出来呢!


  远在望远镜发明之前,星星“长角”的现象就十分普遍。古埃及塞纳姆特墓(Tomb of Senenmut,约建于公元前1479–1458年)的天花板上就刻满了长着角的星星(真的不是海星)。图片:youtube.com

  答案其实很简单,因为人类自身的光学结构,嗯,也就是说眼睛,也是有光学缺陷的。虽然说“眼见为实”,但是人眼本身,不过是一个简单的光学机构罢了,晶状体是镜头,虹膜是光圈,而眼球背面的视网膜是成像机构。和相机的光圈相比,人类的虹膜相当高级,它可以随时随地保持圆形,但是晶状体就没有那么完美了


  人类的晶状体远没有想象中那样完美无暇。而且从婴儿(A)到衰老(C),晶状体表面的纹路还在不断地越变越复杂。图片:Dr. Jer Kuszak, Rush Presbyterian / St. Lukes Medical Center

  这样的“镜头”,理所当然会导致光的衍射,造成某种程度的衍射星芒。西班牙达萨·巴尔德斯光电研究所(Instituto de Optica Daza de Valdés)的研究人员通过实验证实了这一点。他们用一套复杂的机构,记录下了绿色光源发出的一束光进入瞳孔完全张开的眼睛后,在视网膜上留下的光斑。经过矫正之后,这些光斑的形状,应该就是我们肉眼“看到”的星星的形状。


  记录视网膜光斑的复杂机构(左),以及在视网膜上捕捉到的“星星”(右)。图片:Navarro R et Losada MA (1995) J. Opt. Soc. Am. A 12(11):2385-2392 / Navarro R et Losada MA (1997) J. Opt. Soc. Am. A 14(2):353-359

  通过对这些光斑的分析,研究人员还得出了另外一个结论:每个人眼里的星星很有可能都是不一样的。毕竟在他们研究的有限样本中,衍射导致的星芒图样千差万别,就没有一个重样的。这真是个好消息——只要嘴硬,怎样画星星都不能算错了!


  只要好看就行!图片:Alex G. Griffiths

  最后,提供几个星空绘画方面的忠告:

  星星越亮,星芒越明显越长;

  请保持所有星星外形、角度一致;

  星芒可以是彩色的;

  但具体用什么颜色,请参考白光的衍射图样。

  白光的衍射图样。图片:uni-hannover.de

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