Por que as estrelas aparecem como círculos, não como pontos?

Excluindo o Sol, as estrelas estão tão distantes que seu diâmetro angular é efetivamente zero. No entanto, quando você tira fotos delas, as estrelas mais brilhantes aparecem como círculos, não como pontos. Por quê?

Em teoria, qualquer estrela, independentemente do brilho, deve atingir no máximo um pequeno ponto do meio que estiver sendo usado para tirar a fotografia. Por que pontos próximos do meio também respondem? A luz excessiva "sangra" em pontos próximos e, nesse caso, o "sangramento" é o mesmo para câmeras digitais e não digitais?

Tem algo a ver com a lente? A lente expande um único ponto de luz em um pequeno círculo, dependendo do brilho?

Encontrei isso enquanto tentava responder https://astronomy.stackexchange.com/questions/22474/how-to-find-the-viewing-size-of-a-star que efetivamente pergunta: qual é a função (se houver) que relaciona o brilho da estrela ao tamanho do disco de uma estrela em filme fotográfico (ou mídia digital)?

Nota: Eu percebo que as magnitudes visuais e fotográficas de uma estrela podem ser diferentes e estou assumindo que a resposta será baseada na magnitude fotográfica.

EDIT: Obrigado por todas as respostas, eu ainda estou revendo-os. Aqui estão alguns links úteis adicionais que encontrei:

• Fotometria (astronomia) na Wikipedia

• http://www.chiandh.eu/astphot/object.shtml , especialmente a discussão sobre "unidades de imagem bruta" e "largura total na metade do máximo" (FWHM)

• http://www.astro-imaging.com/Tutorial/MatchingCCD.html e sua discussão sobre FWHM

Sempre que a luz passa por um limite, ela difrata ou dobra devido à propriedade ondulatória da luz que interage com esse limite. Uma abertura em um sistema óptico, tipicamente circular ou circular, é um desses limites.

O modo como a luz interage com a abertura é descrito pela função de dispersão pontual (PSF) ou quanto e em que grau uma fonte pontual de luz se espalha como resultado da passagem pelo sistema óptico. O PSF é determinado pela geometria do sistema (incluindo a forma e o tamanho da abertura; a (s) forma (s) das lentes) etc.) e o comprimento de onda da luz que passa pelo sistema óptico. O PSF é essencialmente a resposta de impulso do sistema óptico a uma função de impulso , um ponto de luz de alguma quantidade unitária de energia que é infinitesimalmente estreita ou fortemente limitada no espaço 2D.

^{A convolução da luz do sujeito com a função de espalhamento pontual resulta em uma imagem produzida que parece mais espalhada que o objeto original. Pelo usuário da Wikipedia Default007, do Wikimedia Commons . Domínio público.}

Para uma abertura perfeitamente redonda em um sistema de imagem opticamente perfeito, a função PSF é descrita por um disco Airy , que é um padrão semelhante a alvo de anéis concêntricos de anéis concêntricos de regiões alternadas de interferência construtiva (onde as ondas da luz interagem construtivamente para "soma") e interferência destrutiva (onde as ondas da luz interagem para se anular).

É importante observar que o padrão do disco Airy não é resultado de qualidades imperfeitas das lentes ou de erros nas tolerâncias na fabricação, etc. É estritamente uma função da forma e tamanho da abertura e do comprimento de onda da luz que passa por ela. Assim, o disco Airy é uma espécie de limite superior da qualidade de uma única imagem que pode ser produzida pelo sistema óptico ¹ .

^{Uma fonte pontual de luz que passa através de uma abertura redonda se espalhará para produzir um padrão de disco Airy. Por Sakurambo , do Wikimedia Commons . Domínio público.}

Quando a abertura é suficientemente grande, de modo que a maior parte da luz que passa pela lente não interage com a borda da abertura, dizemos que a imagem não é mais limitada por difração . Quaisquer imagens não perfeitas produzidas nesse ponto não se devem à difração da luz pela borda da abertura. Em sistemas de imagem reais (não ideais), essas imperfeições incluem (mas limitam-se a): ruído (térmico, padrão, leitura, disparo, etc.); erros de quantização (que podem ser considerados outra forma de ruído); aberrações ópticas da lente; erros de calibração e alinhamento.

Notas:

1. Existem técnicas para melhorar as imagens produzidas, de modo que a qualidade óptica aparente do sistema de imagem seja melhor que o limite do disco Airy. As técnicas de empilhamento de imagens , como imagens de sorte , aumentam a qualidade aparente ao empilhar várias (muitas vezes centenas) imagens diferentes do mesmo assunto. Embora o disco Airy pareça um conjunto nebuloso de círculos concêntricos, ele realmente representa uma probabilidadede onde uma fonte pontual de luz que entra no sistema da câmera pousa no gerador de imagens. O aumento resultante na qualidade produzida pelo empilhamento de imagens é devido ao aumento do conhecimento estatístico das localizações dos fótons. Ou seja, o empilhamento de imagens reduz a incerteza probabilística produzida pela difração da luz através da abertura, conforme descrito pelo PSF, lançando um excesso de informações redundantes no problema.

2. Em relação à relação no tamanho aparente com o brilho da fonte de estrela ou ponto: uma fonte de luz mais brilhante aumenta a intensidade ("altura") do PSF, mas não aumenta seu diâmetro. Porém, o aumento da intensidade da luz que entra no sistema de imagem significa que mais fótons iluminam os pixels limites da região iluminada pelo PSF. Essa é uma forma de "desabrochar da luz" ou aparentemente "derramar" a luz em pixels vizinhos. Isso aumenta o tamanho aparente da estrela.

O tamanho do "ponto" é afetado pela "Função de propagação de pontos" (PSF) dependente do comprimento de onda do sistema de lentes que você está usando.

A difração da luz, que determina o limite de resolução do sistema, desfoca qualquer objeto parecido com um ponto para um tamanho e formato mínimos chamados de Função de propagação de pontos. O PSF, então, é a imagem tridimensional de um objeto pontual no plano da imagem. O PSF é geralmente mais alto do que largo (como uma bola de futebol americano na ponta), porque os sistemas ópticos têm pior resolução na direção da profundidade do que na direção lateral.

O PSF varia de acordo com o comprimento de onda da luz que você está visualizando: comprimentos de onda mais curtos (como luz azul, 450nm) resultam em um PSF menor, enquanto comprimentos de onda mais longos (como luz vermelha, 650nm) resultam em um PSF maior e, portanto, pior resolução. Além disso, a abertura numérica (NA) da lente objetiva usada afeta o tamanho e a forma do PSF: um objetivo de alta NA fornece um pequeno PSF agradável e, portanto, melhor resolução.

Surpreendentemente, o PSF é independente da intensidade do ponto. Isso é verdade tanto para a astrofotografia quanto para a microscopia.

Existem algumas razões pelas quais posso pensar:

1. O mais comum é a lente. Conseguir focar uma lente no infinito pode ser complicado em algumas lentes que permitem focar o infinito "passado". Mas, mesmo que você possa obter exatamente, a própria lente ainda pode espalhá-la um pouco.
2. Outro motivo é que é possível que a luz atinja mais de um local do sensor, porque o local do sensor (ou os grãos do filme) não está perfeitamente alinhado com todas as estrelas ou porque a projeção da estrela no sensor ou no filme é na verdade, maior que um único local de sensor ou grão de filme.
3. A atmosfera também espalha a luz vinda das estrelas, o que leva a um círculo maior para cada uma.

Tirei uma pequena área da sua foto e a ampliei (reamostrada por um fator de 10).

Marquei duas regiões interessantes. A região A indica uma estrela, borrada pela óptica aproximadamente em uma área de 3x3 pixels com um pico de diâmetro de 2-3 pixels, eu diria. Esse é o efeito de desfoque, conforme descrito na resposta do scottbb .

No entanto, a estrela brilhante na posição B é muito maior e também mostra saturação no centro. Meu palpite é que essa ampliação adicional é causada pelo sangramento de pixel ou apenas pela saturação.

o "sangramento" é o mesmo para câmeras digitais e não digitais?

Provavelmente não. As câmeras não digitais têm uma faixa de contraste muito mais alta; portanto, a saturação pode ser um problema menor e o sangramento de pixels, que é um efeito eletrônico, pode não ocorrer.

No entanto, com um esquema de gravação HDR em uma câmera digital, é possível corrigir o alargamento adicional e tornar o ponto B parecido com o ponto A apenas muito mais brilhante.

Para alterar o tamanho do efeito de desfoque, você pode brincar com a abertura da câmera e com as estrelas da imagem (ou pontos impressos no papel, se não houver estrelas disponíveis ou um pequeno buraco no papelão escuro com uma fonte de luz atrás).

Bem estudado por George Airy, Astrônomo Real, publicado em 1830. Agora chamado disco Airy ou padrão Airy, uma fonte pontual estrela imagens com anéis alternados de luz e escuridão em torno de um disco central. O diâmetro do primeiro anel escuro é de 2,44 comprimentos de onda para uma lente bem corrigida com abertura circular. Este é um fato importante quando se trata do poder de resolução de uma lente. É difícil, mas não impossível, imaginar esses anéis concêntricos. A maioria das imagens cria esses anéis.

John Strutt, terceiro barão Rayleigh (Astrônomo Real) publicou ainda mais o que hoje é chamado de critério Rayleigh, cobrindo o poder teórico máximo de resolução de uma lente. “A resolução de energia em linhas milimétricas é 1392 ÷ número f. Assim, f / 1 = 1392 linhas por milímetro no máximo. Para f / 2 = 696 linhas por milímetro. Para f / 8 = 174 linhas por milímetro. Observe: O poder de resolução de aberturas maiores que f / 8 é maior do que o filme destinado a ser útil em termos de imagens, pode explorar. Além disso, o poder de resolução é medido através da geração de imagens de linhas paralelas com espaços em branco no meio. Quando as linhas finalmente dominadas são vistas se fundindo, seu espaçamento é o limite de resolução para esse sistema de imagem. Poucas ou nenhuma lente atendeu ao critério Rayleigh.