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)

全部评论(45)
  • 31楼
    2016-08-30 00:50 pineapple_

    曾自己找资料很久研究这个问题,虽然知道答案,但从未得到如此丰富的认识,膜拜!

    [0] 评论
  • 32楼
    2016-08-30 02:06 尽可能说人话
    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?

    价格、能量供给、复杂度的提升等等……相比之下,多几条星芒就太无足轻重了~

    [0] 评论
  • 33楼
    2016-08-30 13:09 反方向的烤鱼
    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...

    乍一看,还以为是蓝猫淘气三千问的英文主题曲,

    后来发现不是我想多了,而是我想叉了。

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  • 34楼
    2016-08-30 14:19 颠覆常识
    引用@国产零零七_V1.0 的话:然而,这配图上的两货,究竟是什么?

    秀恩爱,狂虐单身狗……

    233333……

    [0] 评论
  • 35楼
    2016-08-30 14:21 颠覆常识
    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。。

    恩,对,就像你不会告诉别人你身上蚊子君留下的吻痕都要比你看到的星星还有多一样。

    23333333……

    [0] 评论
  • 36楼
    2016-08-30 14:27 颠覆常识
    引用@王阳明的花薛定谔的猫 的话: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)/~~

    没有光污染和大气污染的野外,人的肉眼连六等亮度的星星都看得见。

    这种情况下,你才能体会到神马叫灿烂星河,神马叫星辰大海。

    相比之下,连十五的月亮都很少看见的都市人,整晚面对一块灰沉沉的幕布……

    确实是体会不到星河的灿烂的。

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  • 37楼
    2016-08-30 14:55 大圆柚子
    引用文章内容:2. 请保持所有星星外形、角度一致;

    这点在中国国旗上不成立,等一下,我去拿快递

    [0] 评论
  • 38楼
    2016-08-30 15:23 天降龙虾
    引用@歼灭 的话:你的帐篷呢?

    被你偷了呗。。。

    [0] 评论
  • 39楼
    2016-08-30 15:27 天降龙虾
    引用@颠覆常识 的话:恩,对,就像你不会告诉别人你身上蚊子君留下的吻痕都要比你看到的星星还有多一样。23333333……

    老家的平房,自家房顶上,没那么多蚊子。。。

    [0] 评论
  • 40楼
    2016-08-30 21:43 Chemiholic
    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?

    要想避免星芒,把相机结构设计成离轴式就行。哈勃望远镜、高分二号都是同轴相机,光线经主镜、副镜反射后光轴始终在同一条直线上。未来中国将要发射的高分六号卫星就是离轴相机,光线经主镜、副镜反射后光轴分别在不同的直线上。但是离轴相机的设计、制造、调试都比同轴相机复杂得多,所以大部分卫星的相机、几乎所有的反射式光学望远镜都是同轴的

    离轴三反光学系统示意图:

    参考文献:谭进国, 何欣. 离轴三反空间相机的焦距测量[J]. 光学仪器, 2014, 36(4):287-290.

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  • 41楼
    2016-08-30 23:36 晴天过了就下雨
    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?

    主要是太贵,空间相机的装配精度都在微米级,要保证镜片间相对位置其实挺不容易的。可能未来直接在太空建造会有这种方法,不过杂散光也是个问题

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  • 42楼
    2016-08-31 13:30 samlinlin
    引用文章内容: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。

    五条支撑杆或五边形光圈都会产生十条星芒,没有可能出现奇数条星芒。

    所以说根本不存在五角星?大家都画错了。。。

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  • 43楼
    2016-09-12 22:51 化工田哥
    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...

    最佳情怀奖

    [0] 评论
  • 44楼
    2016-09-18 23:27 supersarah
    引用@我只是个路人 的话: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。与其后期处理这样的情...

    好吧,听说他们准备发射卫星去验证广义相对论了......


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  • 45楼
    2017-01-23 09:56 琥珀川99

    作者你好,能否用 晶状体衍射的理论 解释看白底黑字或者用显示器看文字的时候 感觉文字跳动闪烁。 用KINDLE,或者黑色背景 看书就很舒服了

    [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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