¿Por qué la imagen de evaluación de alineación de JWST se ve así?

Una revisión rápida pegando la imagen en PowerPoint y rotando una línea muestra que los picos tienen simetría triple; están a -30°, 30° y 90°.

Esto es exactamente lo que vería por la difracción de la "tela de araña" de los bordes oscuros que separan las 18 subunidades hexagonales del primario.

Pero también es exactamente lo que verías desde una sola abertura hexagonal gigante.

El diablo está en los detalles, ya que el patrón cambiará dependiendo de qué tan amplio sea el rango de longitudes de onda que se pasa, lo que tenderá a manchar algunos aspectos del espectro de potencia.

El espejo secundario está sostenido por una araña con elementos a 60°, 90 y 120°. Los tres picos de difracción que producirán serán perpendiculares a ellos, pero también espaciados cada 30° grados en lugar de cada 60°.

Tomé la transformada de Fourier de la imagen monocromática que ilustra la apertura clara de JWST de la respuesta de @pela y podemos ver similitudes al instante.

El pico horizontal a 0° es el patrón de difracción del elemento vertical del pico, y las bandas claras/oscuras en él (características de la difracción de rendija) se reproducen muy bien.

Los otros dos que deberían aparecer a +/- 30° están ocultos bajo el patrón de estrella séxtuple del "tema hexagonal" del espejo.

¿Cuánto del poder de la estrella de seis puntas proviene de la "telaraña" de los espacios internos entre los elementos en comparación con el borde dentado externo del espejo en comparación con solo un gran agujero hexagonal gigante? Es difícil decirlo sin un análisis más cuidadoso con un modelo completo.

El patrón manchado dentro de los brazos de las estrellas en algunas imágenes a continuación se borrará una vez que se promedie sobre la longitud de onda (borrando el espectro de potencia escalando radialmente)

Aquí están los archivos procesados

• original: https://i.stack.imgur.com/rIUME.png
• modified_1.png https://i.stack.imgur.com/aqf0w.png
• modified_2.png https://i.stack.imgur.com/GQ1Zq.png
• big_hex.png https://i.stack.imgur.com/Lyame.png

y aquí está el guión:

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from scipy.ndimage import gaussian_filter

fnames = 'rIUME.png', 'modified_1.png', 'modified_2.png', 'big_hex.png'
imgs = [(plt.imread(fname)[:, :527, :3].sum(axis=2) / 3. > 0.5).astype(float)
        for fname in fnames]

for img in imgs:
    img[:60] = 0. # blank out text

# img = gaussian_filter(img, sigma=1, mode='mirror', order=0) doesn't change conclusion

imgs = [img - img.mean() for img in imgs] # reduces zero frequency strength

# s0, s1 = img.shape
# w = np.hanning(s0)[:, None] * np.hanning(s1) # windowing not necessary in this case

fts = [np.fft.fftshift(np.fft.fft2(img)) for img in imgs]

powers = [np.abs(ft)**2 for ft in fts]
log_powers = [np.log10(p/p.max()) for p in powers] # log power

fig, axes = plt.subplots(len(log_powers), 2)
for img, lp, row in zip(imgs, log_powers, axes):
    row[0].imshow(img, cmap='gray')
    row[1].imshow(lp, vmin=-6, cmap='afmhot')
    for ax in row:
        ax.get_xaxis().set_ticks([])
        ax.get_yaxis().set_ticks([])
plt.show()

Cualquier telescopio tendrá difracción de la luz debido a los bordes entre espejo y no espejo. Esto establece un límite fundamental a la resolución del telescopio, dado por el tamaño de su espejo primario. Los telescopios terrestres generalmente no tendrán este problema, ya que la visión atmosférica dominará, pero James Webb está en el espacio y, por lo tanto, está "limitado por la difracción".

El patrón de difracción depende de la forma del espejo, así como de cualquier cosa que esté frente al espejo, es decir, el espejo secundario y los brazos que lo sujetan (llamados "puntales" o "araña"). En general, un borde dará como resultado picos perpendiculares a ese borde. Un espejo redondo, como el del Hubble, da como resultado anillos concéntricos, pero su espejo secundario está montado en una araña en forma de cruz y, por lo tanto, las fuentes puntuales observadas con el Hubble tendrán picos en forma de cruz, como se ve a continuación:

^{Cúmulo globular NGC 6397. Crédito: NASA/ESA/H. Más rico.}

El espejo de James Webb está formado por 18 segmentos hexagonales. Por tanto, los bordes de los espejos más exteriores siguen tres direcciones diferentes, que están alineadas a 60° entre sí. Esta es la razón de los seis picos más brillantes.

Además, el espejo secundario de Webb está montado sobre tres brazos. Los dos brazos inferiores en realidad están alineados con el patrón hexagonal (a propósito, supongo), por lo que la difracción causada por ellos cae sobre cuatro de los seis picos. Pero el boom superior es vertical en las imágenes y, por lo tanto, da los picos horizontales más débiles.

Puede ver la alineación aquí en este "selfie" (creado usando una lente de imagen de pupila especializada dentro del instrumento NIRCam que fue diseñado para tomar imágenes de los segmentos del espejo primario en lugar de imágenes del espacio):

^{Crédito: NASA.}

A continuación, puede ver el patrón de difracción resultante de varias arañas:

La difracción se ve para fuentes puntuales, lo que generalmente significará estrellas, porque son brillantes. Cuanto más brillante sea una fuente, más brillantes serán los picos. Si expuso durante el tiempo suficiente, también vería un patrón de difracción de las fuentes puntuales más débiles. Casi todas las otras fuentes en esta imagen son galaxias. En principio, también se ve la difracción de fuentes extendidas, pero como comenta John Doty, el patrón se convolucionará con el brillo de la superficie de la fuente, borrando los picos.

La galaxia brillante que se ve ~de canto a las ~10 en punto en la imagen del JWST es muy distante, con un corrimiento al rojo de 0.285 (fuente: tweet de Grant Tremblay ), colocándola a una distancia de casi 3.800 millones de años luz.