出品：科普中國
作者：王善欽
監製：中國科普博覽
2022年7月12日，韋布空間望遠鏡（James Webb Space Telescope，以下簡稱“韋布”）釋出了第一批全綵色的照片。其中，一些影象上出現了八個角的“星星”。
韋布的第一張全綵色圖，由近紅外相機拍攝。圖中出現了一些顯示八角芒的天體。 圖片來源：NASA, ESA, CSA, STScI
為什麼韋布會拍出這樣的八角星？韋布照片裡的八角星都是恆星嗎？為什麼不同波長的影象中的芒角的明顯程度不同？這裡，就讓我們去揭開這些問題的答案。
一、韋布為什麼會拍出八角星？
這些八角星的八個芒角是由光的衍射導致。光的衍射指的是光繞過障礙物傳播的現象。對於反射望遠鏡，主鏡面負責將星光反射到副鏡面，後者進一步將光反射後傳遞給探測器/相機或第三個鏡面。在望遠鏡的實際觀測中，主鏡面自身與副鏡的支架都會引起衍射現象。
韋布空間望遠鏡的結構，衍射與主鏡、副鏡及其支架均有關係 圖片來源：NASA
主鏡面的衍射由其邊緣引起，產生的衍射圖案由其邊緣的形狀決定，衍射光的方向垂直於邊緣。如果主鏡面是N邊形的，產生的衍射光分別垂直於N條邊，經過主焦面時，中心重合，形成N對（2N個）芒角。對於正N邊形，如果N為偶數，N對芒角會重疊為N/2對（N個）；如果N為奇數，N對芒角彼此不重疊，依然顯示為N對（2N個）。如果主鏡面是圓形的，就相當於無窮多條邊，產生的衍射芒角就沿著半徑朝外，各方向都有，從而形成同心衍射圓環，不顯示芒角。
不同形狀的主鏡面產生不同形狀、不同數目的芒角。 圖片來源：Cmglee
光照射副鏡支架，也會產生衍射現象。如果副鏡面的支架有N條邊，也會產生垂直於邊的衍射光，經過主焦面後也形成N對（2N個）芒角。只要支架的某兩條邊在主鏡的投影位於同一直線或平行，對應的芒角也會重疊，導致芒角數目減少，如下圖。
不同位形的副鏡支架產生不同形狀、不同數目的芒角。左側為支架示意圖，第二列為形成的成對的芒角；第三列為進入主焦面後的芒角，右側為形成的芒角圖案。 圖片來源：NASA, ESA, CSA, Leah Hustak (STScI), Joseph DePasquale (STScI)
不同形狀的主鏡與不同的副鏡支架的組合，產生了不同形態的衍射芒角。先以著名的哈勃空間望遠鏡（Hubble Space Telescope，以下簡稱“哈勃”）為例，它的主鏡面是圓形的，支架是十字型的4條邊，因此形成的衍射圖案是同心圓環疊加4個芒角，例如下圖中由哈勃拍攝的天狼星的影象。
哈勃的WFPC2於2003年10月15日拍攝的天狼星（圖中大白圓）與天狼星B（左下角的小白點）。為例排除天狼星B，這張照片被過度曝光，因此其主鏡的衍射環特別明顯。4個芒角為支架衍射導致。 圖片來源：NASA, ESA, H. Bond (STScI), and M. Barstow (University of Leicester)
韋布的主鏡面由多塊六邊形鏡面拼接而成，副鏡面的支架有3條邊，如下圖所示。
韋布的主鏡形狀與副鏡支架形狀。左為側檢視，右為正檢視。 圖片來源：NASA, ESA, CSA, Leah Hustak (STScI), Joseph DePasquale (STScI)
因此，韋布主鏡面產生6個長的芒角，支架產生6個短的芒角，共12個芒角。但專家們設計了角度，使副鏡面支架產生的4個短芒角與主鏡面產生的4個長芒角重疊在一起，只顯現出6長2短共8個芒角。
韋布的主鏡產生6個長的芒角，副鏡產生6個短的芒角，後者中的4個與前者中的4個重疊，總體上顯示出6長2短的8個芒角。 圖片來源：NASA, ESA, CSA, Leah Hustak (STScI), Joseph DePasquale (STScI)
韋布拍攝的船底座星雲中的NGC 3324的全綵圖。圖中顯示出八角芒的天體是銀河系內的恆星。 圖片來源：NASA, ESA, CSA, and STScI
只有那些看起來特別亮的點狀天體才會產生芒角。而能夠在望遠鏡裡顯得特別亮的天體當然首推銀河系內的恆星。事實上，韋布拍攝到的深場圖、南環狀星雲、“斯蒂芬五重奏”與船底座星雲裡的絕大多數八角星都是銀河系內的天體。
二、韋布照片裡的八角星都是恆星嗎？
答案是否定的。上面我們說過，絕大多數帶有芒角的點狀源是銀河系內的恆星。我們強調“絕大部分”，是因為還有例外——有些八角星是其他天體。
韋布拍攝的NGC 7319（位於“斯蒂芬五重奏”影象頂端）的核心就是一個反例：它的中紅外影象顯示出明顯的八角芒，但它不是恆星，而是一個明亮的活動星系核。
韋布拍攝的“斯蒂芬五重奏”。左為近紅外相機拍攝的近紅外影象，右為MIRI拍攝的中紅外影象。中紅外影象中，位於頂端的NGC 7319的核心顯示出明顯的八角芒。 圖片來源：NASA, ESA, CSA, STScI
NGC 7319核心的強烈的中紅外輻射意味著它核心的外圍富含塵埃。塵埃不同程度地遮蔽了核心區域發出的強列的紫外線、可見光與近紅外線。塵埃自身被紫外線與可見光加熱後，溫度升高，發出了強烈的中紅外輻射。
活動星系核比星系小得多，如果它們異常明亮，那麼從遙遠的距離看過去就像明亮的恆星，用一些望遠鏡拍攝它們時也會顯示出芒角，韋布拍攝的NGC 7319核心的中紅外影象的八角芒就是這種情況。
必須指出的是，在韋布之前，其他望遠鏡也早已拍攝到一些明亮的活動星系核，它們也顯示出明顯的衍射芒角。下圖中由哈勃拍攝的類星體（活動星系核中最亮的一類）3C273就是一個例子，它顯示出了明顯的四角芒。
哈勃的WFPC2拍攝的類星體3C273（位於圖中心）的可見光影象，具有明顯的環狀衍射圖案與四角芒。3C273是人類發現的第一個類星體。 圖片來源：ESA/Hubble & NASA
活動星系核的巨大亮度一度是一個謎。不過，過去幾十年的研究已經在理論上基本達成一個共識：活動星系核核心的中心有巨大的黑洞，黑洞周圍的氣體與塵埃圍繞著黑洞下落，形成“吸積盤”；吸積盤中的物質落向黑洞的過程中，會將自身的引力勢能的一部分轉化為內能，使自身的溫度升高，發出非常明亮的紫外、可見光、紅外輻射。紫外線與可見光加熱了周圍的塵埃，使其發出紅外線為主的輻射。
活動星系核的結構示意圖。中心黑點為黑洞（Black Hole），黑洞周圍的盤為吸積盤(Accretion Disk)，外圍的環（Torus）由氣體與塵埃構成。 圖片來源：NASA
活動星系核周圍的塵埃往往是環狀的，如果觀測者與活動星系核之間恰好被塵埃環擋住，活動星系核的吸積盤發出的強烈光芒就會被遮蔽。這種情況下，塵埃環自身的中紅外輻射就比較突出。
由於韋布在中紅外方面出色的探測能力，它在研究活動星系核外圍的塵埃方面有著獨特的優勢。對這些塵埃發出的中紅外輻射的研究，對於人們瞭解活動星系核的塵埃的物理性質甚至塵埃環的幾何位形都有重要的作用。
活動星系核中的黑洞與吸積盤構成的系統會還會發射出噴流（jet）。這些噴流垂直於吸積盤的方向，速度接近真空中的光速，噴流內部會產生大量射電輻射。不過，僅有一部分活動星系核會產生噴流。上面的類星體3C 273的圖中，中心左上的條狀物就是它發出的一條噴流。
三、為什麼不同波長的影象中的芒角的明顯程度不同？
韋布釋出的圖還有一個特徵：對同一物件拍攝的圖，近紅外與中紅外的芒角的明顯程度不一樣。
以韋布拍攝的NGC 7319的兩張影象為例。這個星系的核心的近紅外影象只隱約顯示出芒角，而它的中紅外影象卻顯示出非常明顯的八角芒。這是因為NGC 7319的核心的塵埃發出的中紅外輻射比近紅外輻射亮得多。
南環狀星雲（NGC 3132）中心的恆星也體現出“不同波段的芒角明顯程度不同”的特徵，但情況卻完全相反：它的中紅外影象中的芒角比近紅外影象的芒角弱得多。這是因為這顆星溫度較高，它的中紅外比近紅外輻射暗得多。
韋布拍攝的南環狀星雲（NGC 3132）。左為近紅外相機拍攝的近紅外影象，右為MIRI拍攝的中紅外影象。 圖片來源：NASA, ESA, CSA, STScI
當然，芒角的明顯程度還與波長自身（長波的衍射現象比短波更明顯）、曝光時間等因素有關。
四、探索無止境
其實，除了八個角的“星星”，韋布得到的這些細節滿滿的照片裡值得分析的地方還有很多，它們隱藏著宇宙萬物乃至於宇宙自身的眾多秘密，等待人類去破解。
當年的莊子曾悲觀地感嘆：“吾生也有涯，而知也無涯，以有涯隨無涯，殆已。” 那麼，我們還有必要努力探索嗎？我們的答案是—當然！正是一代代科學家對無涯的知識海洋的接力式探索，讓人類一步步破解宇宙萬物與宇宙自身的秘密，讓人類得以擺脫矇昧無知的狀態，並獲取了知識帶來的樂趣。
在廣袤的宇宙中，人類是渺小的；但在對未知的探索中，人類又是偉大的。探索無止境，願我們同行。