物理

星星为什么是星形的?

衍射 星芒 五角星 哈勃望远镜 炫光 光圈 晶状体 星空绘画

老猫 发表于  2016-08-26 18:25

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。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,记录下了一束绿色光源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。毕竟在他们研究的样本有限,但是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:

1. 星星越亮,星芒越明显越长;

2. 请保持所有星星外形、角度一致;

3. 星芒可以是彩色的;

4. 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

题图来源:Alex G. Griffiths

(编辑:Ent)

热门评论

  • 2016-08-26 18:39 我爱过果壳

    Twinkle, twinkle, little star,

    How I wonder what you are!
    Up above the world so high,
    Like a diamond in the sky.
    Twinkle, twinkle, little star,
    How I wonder what you are!

    来源

    [23] 评论
  • 2016-08-28 10:59 梧桐清声 生理学博士
    引用@天降龙虾 的话:夏天,露天睡,到半夜。睁开满是眵目糊的眼睛看星星,星芒格外多,色彩格外炫。。。一般人俺不告诉他。。

    华生,别光看星星了,帐篷被偷走了

    [7] 评论
  • 2016-08-26 20:45 天降龙虾

    夏天,露天睡,到半夜。睁开满是眵目糊的眼睛看星星,星芒格外多,色彩格外炫。。。一般人俺不告诉他。。

    [5] 评论

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全部评论(45)
  • 1楼
    2016-08-26 18:37 我爱过果壳

    杀!

    [0] 评论
  • 2楼
    2016-08-26 18:39 我爱过果壳

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  • 3楼
    2016-08-26 19:25 西出陽關
    引用@国产零零七 的话:然而,这配图上的两货,究竟是什么?

    应该是。。。棕熊。。。和。。猫头鹰。。

    [2] 评论
  • 4楼
    2016-08-26 20:45 天降龙虾

    夏天,露天睡,到半夜。睁开满是眵目糊的眼睛看星星,星芒格外多,色彩格外炫。。。一般人俺不告诉他。。

    [5] 评论
  • 5楼
    2016-08-26 23:31 我开心vacation

    感觉应该把光圈介绍在前面会更好一些呢


    [0] 评论
  • 6楼
    2016-08-27 08:37 梦游侠

    每次遇到有分量的文章,我竟然都无话可说

    来自 广告位招租
    [3] 评论
  • 7楼
    2016-08-27 08:59 Cheshire52

    终于明白为什么Lumia 638拍的烛光是扁的了……还是水平方向扁的……

    来自山寨果壳.wp
    [0] 评论
  • 8楼
    2016-08-27 11:08 三体-海人

    身处外太空的望远镜,为什么不设计一个比如磁悬浮式的反射镜片?或者自带小型位置维持发动机?

    [2] 评论
  • 9楼
    2016-08-27 11:18 Dr.外星人

    [0] 评论
  • 10楼
    2016-08-27 11:52 qufuliao
    引用@国产零零七 的话:然而,这配图上的两货,究竟是什么?

    三个

    [1] 评论
  • 11楼
    2016-08-27 12:50 果壳乙烷
    引用@萌得不能再萌 的话:Twinkle, twinkle, little star,How I wonder what you are!Up above the world so high,Like a diamond in...

    你的来源好坑人,点了一下发现打不开啊,然后复制了链接才发现了真相。。。

    [0] 评论
  • 12楼
    2016-08-27 18:19 大头米少

    真 · 缺陷美

    来自 大头的头
    [0] 评论
  • 13楼
    2016-08-27 18:29 风车战士

    纯顶

    [0] 评论
  • 14楼
    2016-08-27 22:49 秦蛋
    引用@萌得不能再萌 的话:Twinkle, twinkle, little star,How I wonder what you are!Up above the world so high,Like a diamond in...

    既然也不能正常读出

    [0] 评论
  • 15楼
    2016-08-28 02:25 校长

    Pelikan的钢笔·····嗯

    [0] 评论
  • 16楼
    2016-08-28 10:59 梧桐清声 生理学博士
    引用@天降龙虾 的话:夏天,露天睡,到半夜。睁开满是眵目糊的眼睛看星星,星芒格外多,色彩格外炫。。。一般人俺不告诉他。。

    华生,别光看星星了,帐篷被偷走了

    [7] 评论
  • 17楼
    2016-08-28 12:09 joinarmy

    我看星星或者远处的灯时,会有两条相反方向的紫色光线,还会不停扭动,是怎么回事?

    [0] 评论
  • 18楼
    2016-08-28 13:07 Fiorano_Chen
    引用@三体-海人 的话:身处外太空的望远镜,为什么不设计一个比如磁悬浮式的反射镜片?或者自带小型位置维持发动机?
    那种东西太贵了吧。。而且也不一定做得出来
    相比而言那些光学缺陷后期是可以处理掉的。。


    [0] 评论
  • 19楼
    2016-08-28 14:26 Topp 天文研究生,摄影爱好者
    引用@西出陽關 的话:应该是。。。棕熊。。。和。。猫头鹰。。

    还有一只鳄龟

    [1] 评论
  • 20楼
    2016-08-28 17:13 天降龙虾
    引用@梧桐清声 的话:华生,别光看星星了,帐篷被偷走了

    反正没下雨,偷就偷吧。。。。

    [1] 评论
  • 21楼
    2016-08-28 23:39 反向延长线.

    那么楼主我想问,

    人为什么是人形的呢?

    来自 果壳的核
    [1] 评论
  • 22楼
    2016-08-29 09:28 改昵称是个技术活
    引用@joinarmy 的话:我看星星或者远处的灯时,会有两条相反方向的紫色光线,还会不停扭动,是怎么回事?

    青光眼?

    [0] 评论
  • 23楼
    2016-08-29 09:29 改昵称是个技术活

    为什么是晶状体, 难道不是因为眼睫毛吗?

    [0] 评论
  • 24楼
    2016-08-29 11:09 Smile_41730

    好神奇!Amazing虽然我承认中间有一段没怎么看懂,但我们可能有时候过多地被世俗的框框给框住了,画星星的第一反应就是一笔画的五角星,甚至不曾思考过为什么一定要这样画呢,现在只要嘴硬,星星随便你怎么画啦,哈哈哈

    [0] 评论
  • 25楼
    2016-08-29 11:35 爱抚

    人类到现在连支撑和光圈形状都搞不定啊啊

    [0] 评论
  • 26楼
    2016-08-29 14:28 vicky52win
    引用@反向延长线. 的话:那么楼主我想问,人为什么是人形的呢?

    幻化的

    [0] 评论
  • 27楼
    2016-08-29 17:32 描肌镂骨

    那到底要用什么颜色画星芒呢?随便从衍射图上取色吗?_(:з」∠)_

    [0] 评论
  • 28楼
    2016-08-29 19:08 我只是个路人
    引用@三体-海人 的话:身处外太空的望远镜,为什么不设计一个比如磁悬浮式的反射镜片?或者自带小型位置维持发动机?

    你知道光学天文望远镜的对镜片和结构的精度要求有多高吗?

    以哈勃那个时代乃至现代的科技水平,都未必能做出你说的那种东西。

    两块镜片之间稍有错位,拍出的照片就是模糊的,事实上也确实发生了。

    在1990年4月哈勃空间望远镜发射升空的数星期后,研究人员发现从哈勃空间望远镜传回来的图片有严重的问

    题,获得的的最佳图像品质也远低于当初的期望:点源的影像被扩散成超过一弧秒半径的圆。

    通过对图样缺陷的分析显示,问题来源于主镜的形状被磨错了。虽然这个差异小于光的1/20波长, 镜面与需要的位置只差了微不足道的2微米,但这个差别造成了灾难性的球面像差。

    与其后期处理这样的情况,还是后期处理衍射光斑容易一点吧。

    [0] 评论
  • 29楼
    2016-08-29 20:07 歼灭
    引用@天降龙虾 的话:夏天,露天睡,到半夜。睁开满是眵目糊的眼睛看星星,星芒格外多,色彩格外炫。。。一般人俺不告诉他。。

    你的帐篷呢?

    [2] 评论
  • 30楼
    2016-08-29 21:03 王阳明的花薛定谔的猫

    此世间惟二物可撼人心,一为头顶之灿烂星河……

    灿烂个毛啊灿烂!(╯‵□′)╯︵┻━┻被伪彩照片骗了那么多年我容易吗我!!

    坚信我不是一个人/(ㄒoㄒ)/~~

    [0] 评论

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老猫 分子生物学准博士,天文爱好者

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