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(gè)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(gè)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(gè)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(yùn)轉(zhuǎn)，是銀河系周圍最大的一個(gè)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(shí)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?yàn)�，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(gè)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(shí)，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(shí)際運(yùn)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(jì)為在零重力下具有特定的形狀，但在所有地面試驗(yàn)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(shí)畫畫的時(shí)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(shí)，這就涉及到我們中學(xué)物理課上學(xué)過的一個(gè)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(gè)副鏡上。這個(gè)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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(shí)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。