Крестообразные лучи вокруг звёзд на некоторых телескопических снимках возникают из-за дифракции света на тонких опорах внутри оптической системы. Такие растяжки удерживают вторичное зеркало перед главным. Они меняют распределение света от яркого точечного источника, создавая вытянутые полосы в изображении. Лучи принадлежат рисунку, который формирует телескоп, а не самой звезде: у неё нет четырёх длинных светящихся отростков.
Почему даже идеальная звезда на снимке не точка
Свет распространяется как волна. Если ограничить её пучок отверстием или поставить на пути препятствие, изображение будет зависеть от формы этой границы. Поэтому идеальная оптическая система не превращает точечный источник в математическую точку без размеров. Вокруг центрального максимума возникает определённое распределение света. Его форма несёт сведения не только об источнике, но и о приборе, через который проводилось наблюдение.
У круглого свободного отверстия характерная дифракционная картина имеет центральное пятно и кольца. Реальный телескоп может добавлять к ней особенности, связанные с опорами, заслонением и формой зеркала. Это одна из причин, почему звезда в телескопе обычно не становится различимым диском: видимое световое пятно часто определяется оптикой и атмосферой, а не показывает поверхность далёкого светила.
Для чего перед главным зеркалом нужны растяжки
Во многих зеркальных телескопах вторичное зеркало расположено на пути входящего пучка. Оно перенаправляет собранный свет к окуляру или камере. Чтобы маленькое зеркало сохраняло нужное положение, его удерживают тонкие металлические элементы, закреплённые внутри трубы. Наблюдателю они могут напоминать спицы или крест, поэтому такую опорную систему иногда называют пауком.
Чем тоньше опоры, тем меньше света они закрывают, но полностью исчезнуть из волновой задачи они не могут. Их края нарушают однородность проходящего пучка. В результате часть света оказывается распределена в определённых направлениях относительно изображения звезды. Важно, что растяжка не действует как маленький прожектор: она не создаёт собственное излучение и не рисует прямой отражённый луч от поверхности звезды.
Почему полосы идут поперёк опор
Узкая прямая растяжка создаёт вытянутую дифракционную структуру преимущественно перпендикулярно своей длине. Если опора вертикальна, характерное размазывание света располагается горизонтально. Две противоположные стороны такого рисунка воспринимаются как пара лучей. Величина и заметность зависят от геометрии препятствия, длины волны, яркости объекта и свойств остальной системы.
Если в трубе четыре растяжки, расположенные крестом, противоположные элементы дают совпадающие направления. Поэтому вместо восьми раздельных лучей часто видны четыре, образующие крест. Поворот системы опор относительно камеры меняет ориентацию рисунка. Это помогает понять его происхождение: похожие кресты у нескольких ярких звёзд в одном кадре связаны с общей оптикой, а не с одинаковой ориентацией каких-то физических выступов у разных светил.
Почему лучей иногда шесть или больше
Три растяжки, расположенные под подходящими углами, способны создать шесть заметных направлений. Иная форма опор меняет распределение света ещё по-другому. Свою роль играет и внешний контур главного зеркала. Поэтому правило «число лучей равно числу спиц» ненадёжно: нужно учитывать пары направлений и то, какие из них накладываются друг на друга.
У телескопа Webb рисунок особенно узнаваем, потому что в нём сочетаются особенности сегментированного главного зеркала и опор вторичного. Его нельзя объяснить только одной деталью. Шесть основных длинных лучей связаны с геометрией зеркала, а растяжки вносят дополнительные особенности. Конструкция прибора рассматривается в статье о наблюдениях инфракрасной Вселенной телескопом Webb. Разный рисунок звёзд у разных телескопов поэтому вполне ожидаем.
Почему крест особенно заметен у ярких звёзд
Большая часть света сосредоточена рядом с центром изображения. Дифракционные полосы значительно слабее, поэтому у тусклого объекта они могут потеряться на фоне шума и неба. У яркой звезды света достаточно, чтобы слабые внешние участки рисунка тоже стали видны. Длительная экспозиция и обработка, усиливающая слабые детали, способны сделать их заметнее.
Это не означает, что у слабой звезды опоры перестали влиять на пучок. Просто соответствующие участки изображения оказались ниже порога заметности в конкретной записи. Насыщение пикселей матрицы тоже может создавать собственные полосы и искажения, но оно не тождественно дифракции. Для объяснения необычного луча полезно учитывать форму всех ярких объектов, устройство камеры и особенности обработки, а не автоматически приписывать любой дефект растяжкам.
Бывают ли такие звёздочки у обычного объектива
Да, но причиной может быть другая деталь. Например, прикрытая диафрагма объектива образует отверстие с краями, заданными её лепестками. Свет от фонаря или яркой точки взаимодействует с этой границей и может давать лучистый рисунок. Его форма зависит от числа и расположения лепестков. Это родственный волновой эффект, хотя внутри такого объектива нет телескопического вторичного зеркала на крестовине.
Иногда похожие лучи добавляют специальные фильтры или программы обработки. Следовательно, наличие красивого креста не позволяет по одному изображению безусловно определить тип телескопа. Нужны сведения о способе съёмки. В научной работе особенности прибора стараются учитывать при анализе, потому что слабый объект рядом с яркой звездой может оказаться на её дифракционной полосе и стать труднее различимым.
Можно ли убрать лучи совсем
Конструкция без прямых опор в световом пучке не создаёт именно такой крестообразной картины от растяжек. Но дифракция на конечном отверстии всё равно остаётся. Изменение формы опор обычно перераспределяет свет, а не отменяет волновую природу изображения. Инженер выбирает компромисс между механической устойчивостью, перекрытием пучка и тем, как нежелательный свет распределяется вокруг яркого источника.
При обработке серии кадров можно уменьшать влияние определённых направлений или моделировать рисунок прибора. Однако восстановление слабого сигнала около яркой звезды остаётся сложной задачей. Для обычного рассматривания снимка достаточно помнить: длинные лучи показывают взаимодействие света с оптической системой. Они помогают узнать особенности телескопа, но не служат фотографией формы звёздной поверхности и не позволяют измерять физическую длину «лучей» в космосе.
