为什么韦伯望远镜的测试照片上有六角星芒？
1. 光的衍射（Diffraction）：
什么是衍射？ 衍射是光的一种基本物理性质，当光波遇到障碍物或者通过狭缝时，会发生弯曲并传播到几何阴影区域的现象。简单来说，就是光线在遇到“阻碍”时，不会严格按照直线传播，而是会“绕过去”。
2. 韦伯望远镜的结构特点：
巨大的主镜： 韦伯望远镜拥有一个由18块六边形镜片组成的巨大分体式主镜，直径达6.5米。
精密的支撑结构： 为了将这18块镜片精确地固定并维持其完美的形状，韦伯望远镜的主镜后面有一个复杂的支撑结构，包括一系列金属支架、连接杆和传感器。这些结构是用来保持镜片 Alignment（对齐）和 Stability（稳定）的关键部分。
遮挡光线： 正是这个位于主镜后方的支撑结构，在接收来自遥远天体的光线时，会不可避免地部分遮挡了到达镜片的光线。
3. 衍射产生星芒的原理：
障碍物的形状： 当光线穿过一个有特定形状的孔隙或者绕过一个有特定形状的边缘时，衍射图案的形状就会取决于这个孔隙或边缘的形状。
韦伯望远镜的支撑结构形状： 韦伯望远镜的主镜支撑结构并非一个简单的圆形或方形，而是由一系列相互连接的直线型的支架组成。这些支架在光路中形成了多个“边缘”。
对称性效应： 当光线绕过这些直线型的边缘发生衍射时，会产生明暗相间的条纹。由于支撑结构的对称性（通常是四臂或者更多臂的结构，但即使是直线边缘，也会产生特定的衍射图案），这些衍射条纹会组合成一个具有特定对称性的图案。
六角星芒的形成： 在韦伯望远镜的情况下，其主镜支撑结构的设计和多个支架的相互作用，导致了光线在绕过这些支架边缘时，衍射出的明亮区域和暗淡区域以一种特定的方式叠加，最终形成了我们看到的六个主要光束组成的星芒。每个光束实际上是衍射图案中的一个亮纹。
4. 为什么是六角星芒，而不是其他形状？
支架的数量和角度： 韦伯望远镜主镜的支撑结构的设计至关重要。虽然具体的设计细节非常复杂，但其支架的整体布局（例如，是否有四个主支架，以及它们之间的夹角）会决定最终衍射图案的对称性。很多望远镜的支撑结构设计成四臂，会产生四角星芒。而韦伯望远镜的特定设计，可能通过其支架的布局和相互作用，导致了六角对称性。
衍射的叠加： 即使是简单的直线边缘衍射也会产生条纹，但当有多个直线边缘以特定角度排列时，这些衍射条纹会叠加起来，形成更复杂的图案。韦伯望远镜的支撑结构就是由多个直线支架组成，它们的叠加效应最终呈现出六角星芒。
相机和处理： 虽然衍射是物理现象，但最终在照片上看到的效果也会受到相机传感器（CCD或CMOS）像素分布和图像处理算法的影响。然而，六角星芒的核心成因是光学的衍射。
5. 为什么在测试照片中更明显？
目标选择： 在测试阶段，科学家们通常会选择一些非常明亮的恒星作为拍摄目标。明亮的恒星可以产生更强的衍射效应，使得星芒更加明显。
曝光时间： 测试照片的曝光时间可能也会被调整以捕捉细节，这会进一步增强星芒的可见度。
未优化成像： 测试照片主要是为了检验望远镜的各项功能和光学性能，可能还没有进行像科学拍摄那样精细的图像优化和校正。
总结来说，韦伯望远镜测试照片上的六角星芒是：
物理现象： 光的衍射。
原因： 光线绕过望远镜主镜后方的支撑结构边缘时发生弯曲。
形状来源： 支撑结构由一系列直线型支架组成，它们的几何布局和相互作用导致了六角对称性的衍射图案。
意义： 这是望远镜光学设计中一个不可避免的物理现象，也是其结构特点的体现。它并不影响韦伯望远镜捕捉宇宙真相的能力，反而成为其“标志性特征”之一。
你可以将它想象成你在看一个明亮的灯光，如果前面有一个有多个直线边缘的物体挡在前面，你就会看到类似星芒的效果。韦伯望远镜的支撑结构就是这个“物体”。
网友意见
大多数人通常认为闪亮的星星应该是伴有几束尖尖的星光的。事实是，你被骗了。
上面这张照片，来自于韦伯望远镜的测试照，也是人类第一次如此清晰的看清遥远的星光。在这之前，号称“史上最灵敏”的斯皮策太空望远镜也曾用红外阵列相机拍了同一个星星的照片，没有对比就没有伤害：
我们注意到，虽然斯皮策太空望远镜拍出来的比较模糊，但却没有韦伯拍到的那样光芒四射的几束尖锐的星光。
为什么会有这样的星光呢？
（提醒：以下没有公式、没有难懂的专业术语）
衍射十字星(Diffraction Spikes)
不知道你有没有思考过，如果恒星是球状的，那我们为什么要教小朋友把它们画成尖尖的星形呢？
事实上，虽然人们通常在画星星时会画出星芒来，但星芒并不是真实的，这些放射状的夺目光线被称为“衍射十字星”（也译作“衍射尖峰”），它是反射望远镜中用于支撑副镜的杆子、或者相机光圈边缘、甚至是我们眼睫毛和眼睑周围的光衍射产生的。
韦伯是一台反射望远镜，星光照射到最大的主镜后，光线被反射并汇聚到位于镜筒前端的一个副镜（次镜）中，然后再次反射等等被类似相机“CCD传感器”的模块捕捉。
问题就出在反射望远镜的这个副镜上。由于光路原因，副镜要位于主镜的中心轴上[1]，所以只能用固定在主镜上的支柱支撑住它并保证其稳定。不论这些支撑结构有多细，它们都会挡住一小部分入射光线（就像睫毛会挡住光一样）。
我们初中物理老师教过我们，当波遇到障碍物时，会产生偏离原来直线传播的现象，被称为衍射。当极明亮的星光朝主镜方向射入时，势必会有一些光线会掠过支撑杆，因衍射效应而略微偏转，最终将光转移到最初并不存在的地方上并成像，形成像蜘蛛一样的星芒。它的形状会受到支撑杆布局的影响而改变。
而不同的支撑结构会产生不同的衍射结果[2]：
你的睫毛和眼皮也会产生类似现象。当你在很暗的晚上眯着眼（小眼睛比较有优势）瞥远处的路灯或者家里的小台灯时，也能很容易地看到这些衍射现象。（光源越亮，衍射越明显）
等等，为什么是八芒星？
如果你仔细对比上面这张图与韦伯拍出来的图像，你会说：不对呀，这看上去有点不太一样嘛，上面那个六芒星是等分的，但照片是不等分的八芒星呀？而且韦伯的支撑杆不是奔驰那样等分的三叉星形呀。
（如果你能看到这里，说明你是认真想了解这知识的，这比知乎小姐姐视频枯燥多了。）
上面提过，衍射不仅可以发生在支撑杆边缘，也可以发生在镜片、入射孔或光圈的锋利边缘上。或者说，衍射取决于镜片的形状以及镜子前方的物体形状。大多数望远镜镜片或入射孔都是圆形的，因此，它造成的衍射通常会产生环状图案（称为艾里斑）。
通常这种环非常微弱，只会让图像变得稍微模糊一点，不能与支撑杆造成的衍射相提并论。比如哈勃就会产生同心环[3]，但支撑杆造成的衍射更明显，所以用哈勃观测到的星光同时带有衍射十字星和同心环：
但与哈勃不同，韦伯的主镜因为火箭尺寸的限制，只能做成18个蜂窝状的六边形，非圆的边缘会产生更加明显不同的衍射(衍射通常垂直于边缘)。因此，在韦伯拍摄的图像中看到的最亮的那几个衍射星芒并不是由支撑杆引起的，而是由非圆形的主镜镜片边缘引起的。主镜的正六边形外边缘都是60度角，这与6个互成60度角的最亮的星芒相对应。
（这里有个冷知识，我们民用相机的光圈叶片数量会影响到拍出来星芒的数量。当叶片数n是偶数时，会产生n个较粗的星芒，如果n个是奇数，则产生2n个又细又清晰的星芒。比如佳能多为8个叶片，拍出来就是八星芒，徕卡-M多是11个叶片，所以拍出来是22星芒）
支撑杆说：那我呢我呢？
韦伯的副镜安装在三个支撑杆上。下边的两个杆故意设计成与六边形的边平行（或对齐），因此它俩的衍射会重叠在六个星芒中的四个上面。但上面的那个支撑杆是垂直的，因此会形成水平方向上微弱的星芒。下面再来看一次不同杆位形成的衍射图案，注意看最左边那个：
需要注意的是，主镜的每个小镜片的边缘都对星芒有做出贡献。我偷懒一下，直接用了 @uhoh 做的图[4]。
当我们把小镜片间的空隙“抹去”时，六个较亮的星芒的强度会变弱。
当把支撑杆也去掉时，水平方向的衍射就消失了。
当把主镜变成正六边形时，星芒会改变角度（注意看），成了更加细长锐利的六星芒。
那为什么韦伯拍摄的其它星星没有星芒呢？
上面说过，光源强度越强，衍射越明显。如果亮度不够，衍射就不明显。另外，如果光源不是点状的，那么衍射图案就会分散开来，就更难看到了。
其实星芒会严重干扰观测（同时会低估星星的亮度），所以韦伯拍的这颗星只用于对齐镜片，而不能用于观测，它实在是太亮了。
至于如何消除星芒，这就涉及到光学的傅里叶变换等计算[5]，这里就不展开了。
你竟然能读到这里，真是太厉害了。
参考
- ^ 少数反射望远镜会将副镜偏离中心轴来避免衍射。比如赫歇尔望远镜和Schiefspiegler望远镜。但它们都有严重的观测局限，如散光等，这使得在科研上变得用处不大。
- ^ Harvey JE, Ftaclas C. Diffraction effects of telescope secondary mirror spiders on various image-quality criteria. Appl. Opt. 1995;34:6337–6349. doi: 10.1364/AO.34.006337.
- ^ Burrows CJ, et al. The imaging performance of the hubble space telescope. The Astrophysical Journal. 1991;369:L21–L25. doi: 10.1086/185950
- ^ https://astronomy.stackexchange.com/a/48843
- ^ https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6240111/
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