詹姆斯·韦伯的独特"尖峰"从何而来？

当我们开始用哈勃望远镜成像宇宙时，每颗恒星都有四个来自它的"尖峰"。这就是为什么韦伯将拥有更多的。.

STARTS WITH A BANG — MARCH 22, 2022

Ethan Siegel

由美国宇航局詹姆斯·韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope）发布的第一张精细相位图像显示一颗恒星的单一图像，完全有六个突出的衍射尖峰，背景中揭示了背景恒星和星系。像这张图像是的一样惊人，它很可能是你从来看到的最糟糕的詹姆斯·韦伯太空望远镜图像。(Credit: NASA/STScI)

关键要点

自2021年12月发射以来，美国宇航局的詹姆斯韦伯太空望远镜已成功达到并超越了发射到达和配置中的许多重要里程碑。

     在望远镜进入太空的头六个月里，镜子和仪器正在冷却和校准为科学操作做准备，它要么正确的要么提前完成一切。

但当观察第一张对齐的图像时，你可能会注意到来自它们的第一颗恒星的不寻常的尖峰模式。这里是为什么这些峰值中至少有六个将始终存在的

在首次发射后不到三个月，它终于发生了：詹姆斯韦伯太空望远镜揭示了它的第一张望远镜对准评估图像。人类最新的、最伟大的旗舰天文台已经首次成功地对齐、聚焦并精细调相了来自所有它的18个主镜段的光来成功产生一颗"测试恒星"的单一图像。结果是如此好以致甚至在这张初步图像中遥远背景中的微弱恒星和星系也能被看到、分辨甚至详细检查。这是一个了不起的胜利，正如美国宇航局他们自己宣布的那样，"每个已经被检查和测试的光学参数正在或高于预期表现"。

尽管如此，你会注意到的是甚至粗略地看一下图像图像上的主要"星星"有一系列出自它的尖峰：六个大的和两个更小的，甚至缩小并且分辨率低都仍然可见。相比之下，哈勃太空望遠鏡只有四個尖峰被附在每顆恆星上，而一个即將推出的25米地面望遠鏡巨大麦哲伦望遠鏡將成為同類天文台中第一個毕竟在恆星上沒有尖峰的天文台。就尖峰而言，这里是我们能从詹姆斯韦伯太空望远镜期望的，甚至在满最大功率下。

艺术家渲染显示，在美国宇航局™的詹姆斯韦伯太空望远镜在它的太空中部署后，从主镜和次镜反射掉的光线。(Credit: NASA/Mike McClare)

关于詹姆斯·韦伯太空望远镜你必须意识到的第一件事是与哈勃望远镜不同，它不是一个单碟镜子。相反，它的主镜有18个单独的部分，一个优化配置的詹姆斯·韦伯太空望远镜的目标将是让所有那些18个部分的功能王茹它们是一个单个镜子一样，在单个平面上，有光学完美。

在这个例子中，"光学完美"意味什么？

这意味着18个部分中的每一个都将构成一个完美镜子的一部分，所有被设计来让累积的来自一个遥远的观察到的目标的光线击中它焦点精确的下到一个在望远镜仪器中的一个单个点上。这是一项巨大的雄心勃勃的任务，需要我们弥补：

每个段之间的间距，

每个段的边缘、特别是尖角，

被保持次镜在主镜前面的桁架引起的光学缺陷

.    以及跨每个段和来自段与段的单个变化。

这张图片显示被安装在詹姆斯·韦伯太空望远镜上的18个主镜段中每个部分的大小和比例，并用一个人类比较。在太空中，每个六边形部分彼此之间只有约4毫米的空间，但与被所有18个镜子所追踪的整个平面必须占据的约20纳米抛物面形状相比4毫米是巨大的。(Credit: NASA/MSFC/David Higginbotham/Emmett Given)

每个单独的部分本身回到20世纪的不同时间点都已经全靠它自己成为一个壮观的尖端的天文台。如果你想合适地聚焦你的光线，你需要避免最初困扰哈勃太空望远镜的问题：球面像差。对于透镜和反射镜球面形状比其他曲线（如抛物线）更容易制造，并且大型透镜和反射镜的形状能因引力被扭曲。

因此，当韦伯（Webb）在地球上被建造但被发射在太空中运行时，人们担心一切都可能不正确的落到位。即使镜子被检查和重新检查，再重新检查，一次又一次，总是有某些光学元件的东西会出问题的担心。如果是这样的话，那么镜子将会不能够将遥远的星光聚焦成所愿望的单个图像中，我们必须找到一些方法来补偿将发生的模糊性。

一个有一个圆形无遮挡孔径允许单色点源的球面像差的光学系统的模拟。你能看到聚焦不足的光线（顶部）、聚焦过多的光线（底部）和聚焦最佳的光线（中央）之间的极端差异。哈勃的主镜有球面像差的问题;韦伯的镜子没有。(Credit: Mdf at English Wikipedia)

对于詹姆斯·韦伯（James Webb）拥有的18个镜子段有三个单独的每个需要分别被制造六次的设计：

"A"段，用于内部部分，其中六个六边形边缘中的五个将与另一个镜子段接壤，但最内的一个将留下一个光线被反射到内部到仪器上的间隙，

"B"段位于六边形蜂窝的外角，每个段都有三条与另一个镜子段接壤的边缘，但三条边包含主镜的外边界，

"C"段它们位于"B"段之间，并拥有四条与另一个镜段接壤的边， 但两条边与"B"段一起定义了主镜的外边界。

因此，詹姆斯·韦伯太空望远镜主镜的形状构成一种称为三边形或一个30面多边形。这是一个要应付的非常非常复杂的几何形状，所需的来生产一个高质量数据产品的技术成就字面上是天文数字的。

这张图片显示构成詹姆斯·韦伯主镜的18个独立部分，以及三组独立的镜子，用字母A、B和C以及数字1-6标记，对应于当前部署的望远镜上每个镜子的安装位置。(Credit: NASA/James Webb Space Telescope team)

在未聚焦状态下，詹姆斯·韦伯太空望远镜将简单地由18个单独的镜子组成，每个镜子都有它们自己的形状，它们自己的焦点平面，每个镜子都会为我们正试图观察的任何天体产生自己的图像。.

目标是让这 18 个段中的每一个一起形成一个单一平面，有一个抛物线形状。跨度为大约6.5米（约21英尺），平面中的变化，无论是跨每个段还是从段到段都应该为最佳性能在约20纳米左右。顺便说一句，这是一个令人难以置信的精度。如果地球表面像韦伯的光学精度一样平滑，就地球的整个大小像韦伯的光学精度一样那么最高的山峰和最深的海沟总共只能偏离海平面约2厘米（不到一英寸）。

当韦伯拍摄了它的第一张一颗恒星的图像试图看看这18个段产生了什么样的图像时，很明显，团队还有很多工作要做。

这张图像马赛克是通过将望远镜指向大熊座中一颗明亮的叫HD 84406的孤立恒星创建的。这颗恒星被专门选择，因为它很容易识别，并且不会被其他亮度相似的恒星拥挤，这帮助减少背景混淆。马赛克中的每个点都由捕获它的相应主镜段标记。这些初步结果与预期和模拟非常匹配。(Credit: NASA)

你会注意到，当你观望初始（上图）图像时，你会看到18种不同的光源：一中对应于主镜的每个部分的。你还会注意到这些源全出现在这个地方，而不是镜像段本身采用的愿望的"蜂窝"结构。最后，你会注意到这些源中的每一个都不对应于一个单一的点一样的源，这是你对一颗恒星期望的，但每个源最终都会扭曲并散布在一定体积的空间中。

当你获取一个真正的点光源并通过任何类型的光学系统成像它时，你不会再回来得到一个"点"。相反，你将获得对你设备独有的形状，这能被通过一个称为点扩散函数的数学方程描述。我们能知道我们正在观察一颗恒星，并且这颗恒星应该作为一个单一的光点出现，但这不是我们看到的。对于詹姆斯·韦伯它的18个六边形段被配置为形成一个整体的三边形来说，这造成了一个难以置信复杂的点扩散函数，在望远镜上工作的天文学家简单地称之为"噩梦雪花"。

即使聚焦取得了实质性的进步并将各个镜面部分对齐到一个平面上，然后将这18个单独的图像结合成一个最能代表我们正在观察的真实点源的图像，"噩梦雪花"显然抬起了它丑陋的头。

这个三面板动画显示18个未对齐的单个图像之间的差异，在每个段之后的相同图像已经被更好的配置，然后是最终图像，其中来自所有18个镜子的单个图像已经被堆叠并共同添加到一起。这种被称为"噩梦雪花"的恒星所形成的图案能被用更好的校准改进。(Credits: NASA/STScI, compiled by E. Siegel)

你在上面最后看到的单个星星代表当所有镜子被聚焦并相位在了一起时发生的。但只要你有一个边缘、一个间隙或者某些阻挡一部分光线进入你的主镜的东西，你就会得到一个图像伪像，这是某些我们必须能够成功纠正的东西。

这涉及通过使用始动器调整每个镜子的形状并以一种波长相关的方式进行。它涉及确保每个单独的镜子不仅使它自己的完美抛物线形状成为可能，而且镜子之间的形状都对应于同一抛物线的不同部分。而且，甚至各个镜段之间的间隙约为4毫米，单个抛物线也需要被完美到约一个20纳米的公差。

即便如此，仍然有需要注意到的边缘，并且有将次镜固定到位穿过主镜平面的位置的支撑。

这款新的"自拍"是使用一个在NIRCam仪器内部的专用瞳孔成像镜头创建的，该镜头旨在拍摄主镜段的图像而不是天空的图像。这个结构在科学操作期间不使用，严格用于工程和对准目的。请注意将次镜像固定到位的三个支柱的存在。(Credit: NASA/STScI)

特别是在詹姆斯·韦伯的案例中，有三个支撑位于的轴，它们造成三组不可避免的尖峰，这些尖峰将始终出现在点源（例如恒星）的图像中。

顺便说一句，这并不是詹姆斯·韦伯太空望远镜独有的。任何反射望远镜其中光线被反射回到望远镜前方并进入一个次镜，然后次镜将光线反射到一个位于主镜本身的"孔"中（然后进入仪器），需要次镜通过某种东西固定在主镜前。

但是，这些支撑被配置，然后确定你将看到的尖峰的形状，每个唯一的支撑都会创建它自己的衍射尖峰，这些衍射尖峰垂直于该支撑结构本身。

一个反射望远镜各种支柱排列的衍射尖峰比较。内圆代表次级镜，而外圆代表主镜，下面显示"尖峰"图案。韦伯将有一个与最右边插图最相似的配置，哈勃望远镜更像是倒数第二个。(Credit: Cmglee/Wikimedia Commons)

哈勃太空望遠鏡的影像可以說是人類歷史上所有望遠鏡中最無處不在和可識別的，它以一种典型的反射望遠鏡方式配置：次镜支持形狀為"+"號一样。它的垂直支撑确保会有重的衍射尖峰制造一个来自每一个资格为点一样的光源的"+"形状，它能看的单个恒星。

然而，其他来源如遥远的星系和星云是我们所知道的扩展来源，因为它们的光分布在天空中更大的区域。因此，这些尖峰是不存在的，因为光不仅来自一个点，而且这种光学效应在扩展天体提供的大角度区域上被有效的冲刷掉。例如，在下面的（哈勃）图像中，你能很容易地通过它们的衍射尖峰识别包含在我们银河系中的恒星的光点，而更暗淡、更遥远、延伸的天体则明确的不拥有它们。

哈勃望远镜拍摄的希克森紧致群31是一个壮观的"星座"，但几乎同样突出的是来自我们银河系的少数可见恒星，由衍射尖峰注意到。当詹姆斯·韦伯（James Webb）观察时，恒星将拥有六个，而不是四个衍射尖峰。只有一种情况，即大麦哲伦望远镜（GMT）的这些峰值将不存在。(Credit: NASA, ESA, J. English (U. Manitoba), and the Hubble Heritage Team (STScI/AURA); Acknowledgement: S. Gallagher (U. Western Ontario))

随着詹姆斯·韦伯太空望远镜的精细调相继续，我们将继续看到"噩梦雪花"越来越接近朝向它的愿望的形状：来自每颗恒星只有六个尖峰，而更遥远、延伸的天体看起来越来越原始。

2022年3月11日，美国宇航局的詹姆斯·韦伯太空望远镜团队制作了一张被标记为望远镜对准评估图像的图像，结果立即显而易见壮观的。不是一个发放出各种伪像的雪花，不是一个光在大面积上清晰散布出去的延伸点，相反恒星本身看起来很清脆被自准直并且在预期的方向上有六个主要的衍射尖峰。仅用NIRCam仪器拍摄，它已经足够好的被对齐来揭示背景恒星和星系，许多背景恒星也显示出它们自己的衍射尖峰。

虽然这张照片的目的是聚焦在中心的明亮恒星上进行对准评估，但韦伯的光学元件和NIRCam是如此敏感以至于背景中看到的星系和恒星都出现了。在韦伯™的镜像对齐的这个称为一个"精细调相"的阶段，每个主镜段都已经被调整来产生同一颗恒星的统一的图像。(Credit: NASA/STScI)

然而，对于詹姆斯·韦伯来说，这并不是"尽可能让它好"。如果你用非常仔细的眼光观察看这个并注意细节，你会注意到很多关于这颗恒星和它发出的光线的事情。例如：

六个主要衍射尖峰中的每一个都有一组可能五到七个主要条纹，而不是全部都被对齐成一个尖峰。

在尖峰之间，有更小的来自的光线并阻止我们观望离发光恒星太近的天体。

在水平面上，应该没有衍射尖峰，我们有一组额外的、更暗淡但仍然实在的尖峰：一个第7和第8个尖峰，这两个尖峰都应该被消除。

如果你检查图像中揭示的其他恒星或星系，你能看到它们也不是原始的，而是有与韦伯一致的但尚未被最佳对齐和配置的畸变。

在下图中，我已经强调了团队将在未来几个月内努力改进的一些细节。尽管在韦伯调试的前三个月里已经取得了惊人的进展，但你应感到来知道在它开始科学运作之前还有几个月的时间，这赋予团队一个在我们开始使用天文台的能力来教我们关于宇宙之前尽可能多的熨出这些细节的机会。

美国宇航局于3月16日发布的前一张照片的特写镜头显示中心衍射尖峰和它们之间的细节，以及已经被揭示的一些更暗的背景天体的失真细节。仍有改进的余地，但迄今为止取得的进展是壮观的。(Credit: NASA/STScI; annotations by E. Siegel)

然而，你不应该假设每架望远镜甚至每架反射望远镜将总是陷入这个"衍射尖峰"问题。就在现在，在我们正在从詹姆斯·韦伯（James Webb）看的第一组图像中，有比当校准完成时我们应该看到的峰值和特征更多的尖峰。在这一点上，应该只有六个主要的尖峰没有别的，附加特征应被绝对最小化。除了尖峰之外，一颗恒星应该看起来比单个点更大的唯一原因应该是它是否足够亮到来饱和探测器本身。

此外，已经有一个世界级的望远镜正在建设中，它应该是第一个产生没有任何衍射尖峰的图像的望远镜。巨型麦哲伦望远镜计划在本世纪20年代末完工，直径约为25米，使其成为世界上仅次于39米欧洲极端大望远镜（也在建设中）的第二大光学望远镜。但不像它的更大对应物，像韦伯将由大量平铺在一起的六边形部分组成一样，巨型麦哲伦望远镜巨型麦哲伦望远镜仅由七个大型圆形镜子组成，全部安装在同一个望远镜支架上。.

25米的巨型麦哲伦望远镜目前正在建设中，将成为地球上最伟大的新地面天文台。将副镜固定到位的螺纹臂被专门设计以便它们的视线直接落在巨型麦哲伦望远镜的狭窄间隙之间。(Credit: Giant Magellan Telescope/GMTO Corporation)

由于巨型麦哲伦望远镜的独特结构，将副镜固定到位的三个支撑支柱将存在于主镜段之间的间隙中，它们毕竟不会阻挡到达和从望远镜镜子反射的光线！虽然会出现其他图像伪影，特别是一组沿着环状路径（空气环）出现的圆形珠子，但只需观察同一物体约15分钟或更长时间将填满这些珠子，使用反射望远镜创建我们的第一个没有任何衍射尖峰的尖端恒星图像。

迄今为止的来自詹姆斯韦伯的最佳配置图像的六个尖峰将随着时间改进和缩小，剩余的尖峰和图像伪像应该在未来几个月内被改进。虽然韦伯已经经常被称为哈勃望远镜的继任者，但它将主要在红外中观测：与另一个六尖峰太空天文台之前看到的波长集相同：美国宇航局的斯皮策。当然，韦伯将永远拥有这些尖峰，但由于巧妙的工程将会有其他望远镜毕竟没有它们。我们不仅将获得一个全新的宇宙观，而且在可视化它时将获得一种全新的体验。随着时间的流逝，詹姆斯·韦伯（James Webb）的科学和发现的潜力只会越来越令人兴奋。

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