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。
需要六画的空心三芒星。
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。
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。
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。
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!
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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!