星星为什么是星形的？

爱相随

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。图片：老猫

　　

　　需要六画的空心三芒星。图片：老猫

　　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。图片：wiki commons

　　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。图片：wiki commons

　　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。图片：NASA, ESA, and the Hubble Heritage Team (STScI/AURA)

　　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！图片：NASA

　　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。图片：mit.edu

　　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。图片：wiki commons

　　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。图片：NASA

　　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。图片：bhphotovideo.com

　　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。图片：republika.pl

　　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。图片：Andrew Kee

　　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。

　　

　　典型光圈结构示意图。图片：dianajuncher.dk

　　

　　镜头里的光圈结构。图片：trazeetravel.com

　　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。图片：wiki commons

　　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！

　　

　　远在望远镜发明之前，星星“长角”的现象就十分普遍。古埃及塞纳姆特墓（Tomb of Senenmut，约建于公元前1479–1458年）的天花板上就刻满了长着角的星星（真的不是海星）。图片：youtube.com

　　答案其实很简单，因为人类自身的光学结构，嗯，也就是说眼睛，也是有光学缺陷的。虽然说“眼见为实”，但是人眼本身，不过是一个简单的光学机构罢了，晶状体是镜头，虹膜是光圈，而眼球背面的视网膜是成像机构。和相机的光圈相比，人类的虹膜相当高级，它可以随时随地保持圆形，但是晶状体就没有那么完美了。

　　

　　人类的晶状体远没有想象中那样完美无暇。而且从婴儿（A）到衰老（C），晶状体表面的纹路还在不断地越变越复杂。图片：Dr. Jer Kuszak, Rush Presbyterian / St. Lukes Medical Center

　　这样的“镜头”，理所当然会导致光的衍射，造成某种程度的衍射星芒。西班牙达萨·巴尔德斯光电研究所（Instituto de Optica Daza de Valdés）的研究人员通过实验证实了这一点。他们用一套复杂的机构，记录下了一束绿色光源进入瞳孔完全张开的眼睛后，在视网膜上留下的光斑。经过矫正之后，这些光斑的形状，应该就是我们肉眼“看到”的星星的形状。

　　

　　记录视网膜光斑的复杂机构（左），以及在视网膜上捕捉到的“星星”（右）。图片：Navarro R et Losada MA (1995) J. Opt. Soc. Am. A 12(11):2385-2392 / Navarro R et Losada MA (1997) J. Opt. Soc. Am. A 14(2):353-359

　　通过对这些光斑的分析，研究人员还得出了另外一个结论：每个人眼里的星星很有可能都是不一样的。毕竟在他们研究的样本有限，但是衍射导致的星芒图样千差万别，就没有一个重样的。这真是个好消息，只要嘴硬，怎样画星星都不能算错了！