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熟悉五角星的你,注意到韦布拍出来的“八角星”了吗?

撰文 | 王善钦

 

2022年7月12日,韦布空间望远镜(James Webb Space Telescope,以下简称“韦布”)发布了第一批全彩色的照片。其中,一些图像上出现了八个角的“星星”。

韦布的第一张全彩色图,由近红外相机拍摄。图中出现了一些显示八角芒的天体。丨图片来源:NASA, ESA, CSA, STScI

为什么韦布会拍出这样的八角星?韦布照片里的八角星都是恒星吗?为什么不同波长的图像中的芒角的明显程度不同?这里,就让我们去揭开这些问题的答案。

 

韦布为什么会拍出八角星?

这些八角星的八个芒角由光的衍射导致。光的衍射指的是光绕过障碍物传播的现象。对于反射望远镜,主镜面负责将星光反射到副镜面,后者进一步将光反射后传递给探测器/相机或第三个镜面。在望远镜的实际观测中,主镜面自身与副镜的支架都会引起衍射现象。韦布空间望远镜的结构,衍射与主镜自身及副镜支架均有关系丨图片来源:NASA主镜面的衍射由其边缘引起,产生的衍射图案由其边缘的形状决定,衍射光的方向垂直于边缘。如果主镜面是N边形的,产生的衍射光分别垂直于N条边,经过主焦面时,中心重合,形成N对(2N个)芒角。对于正N边形,如果N为偶数,N对芒角会重叠为N/2对(N个);如果N为奇数,N对芒角彼此不重叠,依然显示为N对(2N个)。如果主镜面是圆形的,就相当于无穷多条边,产生的衍射芒角就沿着半径朝外,各方向都有,从而形成同心衍射圆环,不显示芒角。

不同形状的主镜面产生不同形状、不同数目的芒角。 丨图片来源:Cmglee

光照射副镜支架,也会产生衍射现象。如果副镜面的支架有N条边,也会产生垂直于边的衍射光,经过主焦面后也形成N对(2N个)芒角。只要支架的某两条边在主镜的投影位于同一直线或平行,对应的芒角也会重叠,导致芒角数目减少,如下图。

不同位形的副镜支架产生不同形状、不同数目的芒角。左侧为支架示意图,第二列为形成的成对的芒角;第三列为进入主焦面后的芒角,右侧为形成的芒角图案。丨图片来源:NASA, ESA, CSA, Leah Hustak (STScI), Joseph DePasquale (STScI) 

不同形状的主镜与不同的副镜支架的组合,产生了不同形态的衍射芒角。先以著名的哈勃空间望远镜(Hubble Space Telescope,以下简称“哈勃”)为例,它的主镜面是圆形的,支架是十字型的4条边,因此形成的衍射图案是同心圆环叠加4个芒角,例如下图中由哈勃拍摄的天狼星的图像。

哈勃的WFPC2于2003年10月15日拍摄的天狼星(图中大白圆)与天狼星B(左下角的小白点)。为例排除天狼星B,这张照片被过度曝光,因此其主镜的衍射环特别明显。4个芒角为支架衍射导致。 丨图片来源:NASA, ESA, H. Bond (STScI), and M. Barstow (University of Leicester) 

韦布的主镜面由多块六边形镜面拼接而成,副镜面的支架有3条边,如下图所示。韦布的主镜形状与副镜支架形状。左为侧视图,右为正视图。丨图片来源:NASA, ESA, CSA, Leah Hustak (STScI), Joseph DePasquale (STScI) 

因此,韦布主镜面产生6个长的芒角,支架产生6个短的芒角,共12个芒角。但专家们设计了角度,使副镜面支架产生的4个短芒角与主镜面产生的4个长芒角重叠在一起,只显现出6长2短共8个芒角。韦布的主镜产生6个长的芒角,副镜产生6个短的芒角,后者中的4个与前者中的4个重叠,总体上显示出6长2短的8个芒角。丨图片来源:NASA, ESA, CSA, Leah Hustak (STScI), Joseph DePasquale (STScI)

韦布拍摄的船底座星云中的NGC 3324的全彩图。图中显示出八角芒的天体是银河系内的恒星。 丨图片来源:NASA, ESA, CSA, and STScI

只有那些看起来特别亮的点状天体才会产生芒角。而能够在望远镜里显得特别亮的天体当然首推银河系内的恒星。事实上,韦布拍摄到的深场图、南环状星云、“斯蒂芬五重奏”与船底座星云里的绝大多数八角星都是银河系内的天体。

韦布照片里的八角星都是恒星吗?

答案是否定的。上面我们说过,绝大多数带有芒角的点状源是银河系内的恒星。我们强调“绝大部分”,是因为还有例外——有些八角星是其他天体。韦布拍摄的NGC 7319(位于“斯蒂芬五重奏”图像顶端)的核心就是一个反例:它的中红外图像显示出明显的八角芒,但它不是恒星,而是一个明亮的活动星系核。

韦布拍摄的“斯蒂芬五重奏”。左为近红外相机拍摄的近红外图像,右为MIRI拍摄的中红外图像。中红外图像中,位于顶端的NGC 7319的核心显示出明显的八角芒。丨图片来源:NASA, ESA, CSA, STScI

NGC 7319核心的强烈的中红外辐射意味着它核心的外围富含尘埃。尘埃不同程度地遮蔽了核心区域发出的强列的紫外线、可见光与近红外线。尘埃自身被紫外线与可见光加热后,温度升高,发出了强烈的中红外辐射。活动星系核比星系小得多,如果它们异常明亮,那么从遥远的距离看过去就像明亮的恒星,用一些望远镜拍摄它们时也会显示出芒角,韦布拍摄的NGC 7319核心的中红外图像的八角芒就是这种情况。必须指出的是,在韦布之前,其他望远镜也早已拍摄到一些明亮的活动星系核,它们也显示出明显的衍射芒角。下图中由哈勃拍摄的类星体(活动星系核中最亮的一类)3C273就是一个例子,它显示出了明显的四角芒。

哈勃的WFPC2拍摄的类星体3C273(位于图中心)的可见光图像,具有明显的环状衍射图案与四角芒。3C273是人类发现的第一个类星体。 丨图片来源:ESA/Hubble & NASA

活动星系核的巨大亮度一度是一个谜。不过,过去几十年的研究已经在理论上基本达成一个共识:活动星系核核心的中心有巨大的黑洞,黑洞周围的气体与尘埃围绕着黑洞下落,形成“吸积盘”;吸积盘中的物质落向黑洞的过程中,会将自身的引力势能的一部分转化为内能,使自身的温度升高,发出非常明亮的紫外、可见光、红外辐射。紫外线与可见光加热了周围的尘埃,使其发出红外线为主的辐射。

活动星系核的结构示意图。中心黑点为黑洞(Black Hole),黑洞周围的盘为吸积盘(Accretion Disk),外围的环(Torus)由气体与尘埃构成。丨图片来源:NASA

活动星系核周围的尘埃往往是环状的,如果观测者与活动星系核之间恰好被尘埃环挡住,活动星系核的吸积盘发出的强烈光芒就会被遮蔽。这种情况下,尘埃环自身的中红外辐射就比较突出。由于韦布在中红外方面出色的探测能力,它在研究活动星系核外围的尘埃方面有着独特的优势。对这些尘埃发出的中红外辐射的研究,对于人们了解活动星系核的尘埃的物理性质甚至尘埃环的几何位形都有重要的作用。活动星系核中的黑洞与吸积盘构成的系统会还会发射出喷流(jet)。这些喷流垂直于吸积盘的方向,速度接近真空中的光速,喷流内部会产生大量射电辐射。不过,仅有一部分活动星系核会产生喷流。上面的类星体3C 273的图中,中心左上的条状物就是它发出的一条喷流。

为什么不同波长的图像中的芒角的明显程度不同?

韦布发布的图还有一个特征:对同一对象拍摄的图,近红外与中红外的芒角的明显程度不一样。以韦布拍摄的NGC 7319的两张图像为例。这个星系的核心的近红外图像只隐约显示出芒角,而它的中红外图像却显示出非常明显的八角芒。这是因为NGC 7319的核心的尘埃发出的中红外辐射比近红外辐射亮得多。南环状星云(NGC 3132)中心的恒星也体现出“不同波段的芒角明显程度不同”的特征,但情况却完全相反:它的中红外图像中的芒角比近红外图像的芒角弱得多。这是因为这颗星温度较高,它的中红外比近红外辐射暗得多。

韦布拍摄的南环状星云(NGC 3132)。左为近红外相机拍摄的近红外图像,右为MIRI拍摄的中红外图像。丨图片来源:NASA, ESA, CSA, STScI

当然,芒角的明显程度还与波长自身(长波的衍射现象比短波更明显)、曝光时间等因素有关。

探索无止境

其实,除了八个角的“星星”,韦布得到的这些细节满满的照片里值得分析的地方还有很多,它们隐藏着宇宙万物乃至于宇宙自身的众多秘密,等待人类去破解。当年的庄子曾悲观地感叹:“吾生也有涯,而知也无涯,以有涯随无涯,殆已。” 那么,我们还有必要努力探索吗?我们的答案是——当然!正是一代代科学家对无涯的知识海洋的接力式探索,让人类一步步破解宇宙万物与宇宙自身的秘密,让人类得以摆脱蒙昧无知的状态,并获取了知识带来的乐趣。在广袤的宇宙中,人类是渺小的;但在对未知的探索中,人类又是伟大的。探索无止境,愿我们同行。

 

本文经授权转载自微信公众号“科学大院”。

 

本文由科普中国出品,王善钦创作,中国科普博览监制, “科普中国”是中国科协携同社会各方利用信息化手段开展科学传播的科学权威品牌。

 



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