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哈伯太空望遠鏡發射升空│科學史上的今天:4/24

張瑞棋_96
・2015/04/24 ・1053字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 479 ・五年級

1990 年的今天,哈伯太空望遠鏡在歷經波折後終於發射升空,由發現號太空梭安置在 559 公里高的軌道。肩負著天文學家的殷切期盼,開始以前所未有的視野向宇宙深處搜尋。

將望遠鏡置放於太空的好處顯而易見:

星光不會受大氣干擾,又能觀測到容易被大氣層吸收的紅外線與紫外線波段。

因此早在 1946 年天文學家史匹哲(Lyman Spitzer)就倡議發射太空望遠鏡。美國在六○年代先發射了幾次小型的觀測衛星,發現成效不錯而決定打造一個直徑 3 米的反射式望遠鏡,預計在 1979 年由太空梭載上太空。

然而預算遭到國會全數刪除,所幸在科學家們發動宣傳尋求民眾支持下,這個差點胎死腹中的計劃最後終於在刪減一半預算下過關。雖然歐洲太空總署也願意奧援部分資金,但鏡片口徑仍不得不縮減為 2.4 米,發射日期也延到 1983 年。此時望遠鏡才正式命名為哈伯,以紀念發現宇宙膨脹的天文學家哈伯(Edwin Hubble)。

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為了能觀測到紫外線波段,哈伯鏡面的精密度必須達 10 奈米。負責研磨拋光鏡子的廠商低估了其困難度,結果進度一直延後,預算也不斷追加,最後終於一切就緒時,發射日期只能排到到 1986 年 10 月。不料當年一月的挑戰者號太空梭在空中爆炸解體,所有太空梭任務必須中止,靜待調查。直到 1990 年的今天,哈伯太空望遠鏡才終於成功升空送上軌道。

但災難還沒結束。當天文學家興奮地收到哈伯傳回來的照片時,卻赫然發現影像是模糊的!原來是廠商拋光鏡面時所用的校正儀器有問題,哈伯成了近視眼。幸而鏡子整體的精密度符合規格,只要替哈伯戴上一副「眼鏡」就能將誤差校正回來。也幸而當初就設計將哈伯放在太空梭可以往返的低軌道,所以才能事後補救。

1993 年底,奮進號太空梭前往安裝更換,哈伯終於能傳回清晰的天體圖像。之後幾年又陸續為哈伯進行了幾次升級與維修(電影《地心引力》中的主角就是進行這樣的任務),直到 2009 年 NASA 宣布這第五次的維護任務會是最後一次,也就是說哈伯在未來幾年就會壽終正寢。

在太空運行二十餘年的哈伯太空望遠鏡就像隻忠實的老狗,不斷傳回宇宙深處壯觀絢麗的影像。它幫我們更精確地定出宇宙年齡、發現宇宙在加速膨脹、尋找系外行星,也讓我們目睹了跨越時空的星際奇觀,包括早期宇宙的樣貌、恆星的誕生與死亡、在星系中心吞噬物質的巨型黑洞。雖然有更多更新的太空望遠鏡將取代哈伯,然而我們將永遠記得是它最先讓身處宇宙一隅的我們眼界大開,得以一窺宇宙之神祕莊嚴。

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本文同時收錄於《科學史上的今天:歷史的瞬間,改變世界的起點》,由究竟出版社出版。

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張瑞棋_96
423 篇文章 ・ 980 位粉絲
1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,當了中年大叔才開始寫作,成為泛科學專欄作者。著有《科學史上的今天》一書;個人臉書粉絲頁《科學棋談》。

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如何靠溫度控制做出完美的料理?
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/06/21 ・2705字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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本文由 Panasonic 委託,泛科學企劃執行。 

炸雞、牛排讓你食指大動,但別人做的總是比較香、比較好吃?別擔心,只要掌握關鍵參數,你也可以做出完美料理!從炸雞到牛排,烹調的關鍵就在於溫度的掌控。讓我們一起揭開這些美食的神秘面紗,了解如何利用科學的方法,做出讓人垂涎三尺的料理。

美味關鍵 1:正確油溫

炸雞是大家喜愛的美食之一,但要做出外酥內嫩的炸雞,關鍵就在於油溫的掌控。炸雞的油溫必須維持在 160 到 180℃ 之間。當你將炸雞放入熱油中,食物的水分會迅速蒸發,形成氣泡,這些氣泡能夠保證你的炸雞外皮酥脆而內部多汁。

水的沸點是 100℃,當麵衣中的水分接觸到 160℃ 的熱油時,會迅速汽化成水蒸氣。這個過程不僅讓麵衣變得酥脆,也能防止內部的雞肉變得乾柴。

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如果油溫過低,麵衣無法迅速變得酥脆,水分和油脂會滲透到食物中,使炸雞變得油膩。而如果油溫過高,水分會迅速蒸發,使麵衣變得過於硬或甚至燒焦。

油炸時,麵衣水分會快速汽化。 圖/Envato

美味關鍵 2:焦糖化與梅納反應

另一道美味的料理——牛排。無論是煎牛排還是炒菜,高溫烹調都會帶來令人垂涎的香氣,這主要歸功於焦糖化反應和梅納反應。

焦糖化反應是指醣類在高溫下發生的非酵素性褐變反應,這個過程會產生褐色物質和大量的風味分子,讓食物變得更香。而梅納反應則是指醣類與氨基酸在高溫下發生的反應,這個過程會產生複雜的風味分子,使牛排的色澤和香氣更加迷人。

要啟動焦糖化反應和梅納反應的溫度,至少要在 140℃ 以上。如果溫度過低,無法啟動這些反應,食物會顯得平淡無味。

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焦糖化反應


焦糖化反應與梅納反應。圖/截取自泛科學 YT 頻道

油溫與健康

油溫不僅影響食物的風味,也關係到健康。不能一昧地升高油溫,因為每種油都有其特定的發煙點,即開始冒煙並變質的溫度。當油溫超過發煙點,會產生有害物質,如致癌的甲醛、乙醛等。因此,選擇合適的油並控制油溫,是保證烹調健康的關鍵。

說了這麼多,但是要怎麼控制溫度呢?

各類油品發煙點 。圖/截取自泛科學 YT 頻道

科學的溫度控制

傳統電磁爐將溫度計設在爐面下,透過傳導與熱電阻來測溫,Panasonic 的 IH 調理爐則有光火力感應技術,利用紅外線的 IR Sensor 來測溫,不用再等熱慢慢傳導至爐面下的溫度計,而是用紅外線穿透偵測鍋內的溫度,既快速又精準。

而且因為紅外線可以遠距離量測,如果甩鍋炒菜鍋子離開爐面,也能持續追蹤動態。不會立即斷開功率關掉,只要鍋子放回就會繼續加熱,效率不打折。

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好的溫度感測還要搭配好的溫度控制,才能做出一流的料理。日本製的 Panasonic IH 調理爐,將自家最自豪的 ECONAVI 技術放進了 IH 爐中。有 ECONAVI 的冷氣能完美控制你的室溫,有 ECONAVI 的 IH 調理爐則能為你的料理完美控溫。

有 ECONAVI 的 IH 爐不只省能源、和瓦斯爐相比減少碳排放,更為料理加分。前面說了溫度就是一切的關鍵,但是當我們將食材投到熱鍋中,鍋中的溫度就會瞬間下降,打亂物理與化學反應的節奏,阻止我們為料理施加美味魔法。

所以常常有好的廚師會告訴我們食物要分批下,避免溫度產生太大變化。Panasonic IH 調理爐,只要透過 IR Sensor 一偵測到溫度下降,就能馬上知道有食材被投入並立刻加強火力,讓梅納反應與焦糖化反應能持續發揮變化。而當溫度回到設定溫度,Panasonic IH 調理爐也會馬上將火力轉小,透過電腦 AI 的迅速反應,掌握溫度在最完美區間不劇烈起伏。

不僅保證美味關鍵,更不用擔心油溫超過發煙點而導致油品變質,讓美味變得不健康。

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透過 IR Sensor 精準測溫並提升火力。圖/截取自泛科學 YT 頻道
IH 調理爐完美控溫 。圖/截取自泛科學 YT 頻道

舒適的烹飪環境

最後,IH 爐還有一個大優點。相比於瓦斯爐,因為沒有使用明火,加熱都集中在鍋具。料理過程更安全,同時使用者也不會被火焰的熱氣搞得心煩意亂、汗流浹背,在廚房也能過得很舒適。而且因為熱能集中,浪費的能源也更少。

因為沒有使用明火,料理過程安全又舒適。圖/截取自泛科學 YT 頻道
Panasonic IH調理爐火力精準聚集在鍋內。圖/Panasonic提供

為了更多的功能、更好的效能,我們早已逐步從傳統按鍵手機換成智慧型手機。一樣的,在廚房內,如果你想輕鬆做出好料理,同時讓烹飪的過程舒適愉快又安全。試試改用 Panasonic IH 爐,一起享受智慧廚房的新趨勢吧!👉 https://pse.is/649gm5

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歐幾里得望遠鏡開工——目標是尋找暗物質證據!一起從科學家的角度欣賞這片夢幻光景!
PanSci_96
・2024/01/27 ・6276字 ・閱讀時間約 13 分鐘

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14 億歐元天文望遠鏡拍出的照片,你看過了嗎?你看到現在這些照片,揭開了宇宙過去與現在、空間與時間所交織的祕密嗎?

今年 11 月 7 日,位在 L2 拉格朗日點的歐幾里得望遠鏡,終於傳回來它升空後的第一批照片。這 5 張照片不只展示了望遠鏡的強大性能,更讓我們窺見過去無法看到的,宇宙深處的幽美與奧秘。就讓我們一起透過這些獨特的照片,來一場探索宇宙的奇異之旅吧!

歐幾里得望遠鏡有什麼厲害之處?

今年 7 月 1 號升空的歐幾里得望遠鏡,任務是觀察宇宙大尺度結構,來研究暗物質與暗能量在宇宙中的分布與性質,讓我們進一步了解自己身處的這個宇宙。

去年七月,接棒哈伯望遠鏡任務的詹姆斯.韋伯太空望遠鏡,傳回來了升空後的第一批相片,每張照片都美的震撼人心,也帶著我們從全新的視角,眺望遙遠的系外行星、恆星、星雲與早期宇宙。當時,我們製作了一集節目,和大家分享這批照片背後的重要意義。我們也提到,每個望遠鏡在完成校準以後,都會發布一批「開光照」,向外界傳達望遠鏡已經可以順利運作的好消息,同時也讓大家了解這台新望遠鏡身上,背負了哪些重要的使命與任務。

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而這次,新升空的歐幾里得望遠鏡也終於完成校正,傳回來不同於韋伯望遠鏡,從另一個視角看宇宙的開光照。先讓我們來了解一下歐幾里得望遠鏡。它的觀測波段是可見光到近紅外線波段,目標是觀測大範圍、不同遠近的宇宙天體。預計在 6 年的服役期間,建立完整清晰的宇宙 3D 立體圖像。只是,剛退役的哈伯太空望遠鏡,主要任務就是可見光波段的研究,去年剛任務正式開始的韋伯太空望遠鏡,則是紅外線波段的佼佼者。那歐幾里得望遠鏡有什麼突破之處嗎?這座花費 14 億歐元的望遠鏡當然有它獨到之處,它強大的地方在於,可以在更短時間內獲得更高解析度的照片,同時拍攝更大範圍的宇宙。比如哈伯太空望遠鏡需要好幾天觀測的天體,歐幾里得望遠鏡一個小時就可以搞定,而且解析度更高。

歐幾里得太空望遠鏡。圖/wikimedia

其實看它們的任務目標就能很快理解,現在在天空上的韋伯和歐幾里得,雖然有部分任務重疊。但韋伯更著重在尋找系外行星與觀察星系、恆星系統的演化。歐幾里得呢,則是將視野放大到整個宇宙,希望了解暗物質、暗能量在整個宇宙間扮演的角色。所以比起韋伯太空望遠鏡著重在拍攝小範圍、高解析度的天體照片,歐幾里得望遠鏡一開始的設計,就是要在短時間內掃描更大片的宇宙。因此,歐幾里得望遠鏡也確實成為建立宇宙 3D 立體圖像的最佳望遠鏡,定期的大範圍掃描天空,讓我們能一窺宇宙隨時間的演化動態。

那麼,就讓我們來欣賞歐幾里得望遠鏡的第一批照片吧!

歐幾里得望遠鏡第一批照片公開!

第一張照片,像是在宇宙這張巨大的黑布上,撒下大小珍珠。它是一張距離地球 2.4 億光年,英仙座星系團的影像照。

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宇宙中有許多星系團,英仙座星系團就是其中之一,裡面包含超過 1000 個星系,是宇宙中最大的結構之一。除此之外,這張照片不僅清楚拍下了星系團,如果將照片放大來看,還會發現背景中有許多過去難以看到的星系,數量超過 10 萬個,最遠的甚至達 100 億光年。為什麼第一批照片要選擇拍攝星系團呢?因為研究星系團能幫助我們了解宇宙大尺度結構,進一步推算暗物質與暗能量的比例。

宇宙中的星系分佈其實是不均勻的,有些地方有許多星系,有些區域則幾乎沒有。整個宇宙中天體的分布看起來就像是一張巨網。可是,為什麼宇宙的大尺度結構是網狀的呢?天文學家認為宇宙大爆炸之後,物質在宇宙中的分佈會有些微的不均勻。當宇宙逐漸冷卻,氣體物質密度較高的地方會因為重力吸引而塌縮。但因為溫度很高,高溫產生的巨大壓力又讓氣體團反彈回來,就像擠壓一個壓力球一樣。來回震盪的過程中氣體會像聲波朝四面八方傳遞出去,稱為重子聲學振盪(BAO,baryon acoustic oscillations)。最後整個宇宙就像下毛毛雨時的池塘,形成由許多漣漪交織的網狀結構,波腹的地方氣體密度較高,變成星系高度聚集的區域,我們稱為星系團。其他地方氣體密度低,形成的星系數量較少,就像是宇宙間的孔洞。

而根據宇宙學家計算,要形成星系團、宇宙網(cosmic web)這類的宇宙大尺度結構,只靠已知物質提供的重力是不夠的,很可能還有許多我們還不了解的物質參與其中,也就是暗物質。這張照片不僅能幫助科學家研究宇宙大尺度結構,更彰顯歐幾里得望遠鏡的重要任務之一,就是幫助科學家深入了解暗物質的分佈與本質。

第二張照片是螺旋星系 IC342,離地球只有 1100 萬光年,算是離地球很近的星系,但由於它被明亮的銀河系盤面擋住了,觀測的難度非常高。歐幾里得望遠鏡利用近紅外線儀器穿透塵埃進行觀察,並移除許多銀河系中的恆星光芒,最後才形成這張極高解析度的照片,展現了它觀測隱藏星系的實力。

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IC342。圖/Judy Schmidt

這個螺旋星系在天空中的大小相當於一個滿月那麼大,要一次觀測這樣大範圍的天空,同時保有超高解析度,目前只有歐幾里得望遠鏡才辦得到。由於螺旋星系 IC342 和銀河系很像,觀察它的演化有助於科學家理解銀河系的形成過程。未來歐幾里得望遠鏡也會觀測更多隱藏星系和遙遠的天體,繪製出它們的 3D 分佈圖。

第三張照片是不規則星系 NGC 6822。雖然跟 IC342、銀河系一樣也是星系,但形狀不是螺旋而是不規則的。

透過光譜分析,我們知道這個星系中的重元素含量很低。重元素是透過大質量恆星核融合所產生的,重元素含量少表示星系裡的恆星才剛形成,也就是一個很早期、相對年輕的星系。科學家認為,在宇宙早期星系剛開始演化時,大部分的星系就長得像這樣,質量小、形狀也不太規則。之後這些小星系會因為重力吸引其他星系,彼此相撞、融合成更大的星系,逐漸產生旋轉的結構,形成像銀河系這樣的大質量螺旋星系。所以藉由觀測這些早期星系,可以幫助科學家了解星系的形成過程。

另外,照片中一顆顆藍色的圓形區域,是球狀星團。球狀星團中的星星都是由同一團氣體產生,是宇宙最早形成的天體之一,有些甚至比星系本身還早。透過觀測這些球狀星團的運動,能協助我們更了解這個星系的形成史。

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球狀星團大部分分佈在星系的外圍,以很慢的速度繞行星系,可能要好幾年才能觀察到要它們的運動。那科學家要怎麼知道這些星團是如何移動的呢?凡走過必留下痕跡,其中一種方式就是觀察到它們與星系本身互動所留下的痕跡。在歐幾里得望遠鏡傳回來的第四張照片中,就呈現了這些細節。第四張照片是球狀星團 NGC 6397,一個繞行銀河系的球狀星團。

當星團經過星系中的高密度區域,比如暗物質集中區、旋臂或星系盤面,星團中的星星會受到不同強度的重力吸引,使得星星彼此遠離,這個力量稱為潮汐力。顧名思義與潮汐的產生是相同的原理,由於地球各處受到太陽與月亮的重力總和不相同,在重力較強的地方海水受拉伸而漲潮,重力較弱的地方就會退潮。同樣道理,球狀星團在靠近星系中心的一側受重力較強,遠離星系的一側則較弱,球狀星團因而被拉伸,形成一條由星星組成的尾巴,稱為潮汐尾。

透過觀測潮汐尾,就可以了解球狀星團,乃至星系的演化過程。如果沒有潮汐尾,也可能代表有暗物質暈阻止外層恆星逃脫,能幫助我們進一步了解暗物質在星系當中的分佈。但要瞭解潮汐尾的形成過程,必須有星團中每顆星星的移動資料,也就是需要同時進行大範圍、短時間、高精度的觀測。而歐幾里得望遠鏡的優勢此時就能充分發揮,它可以一次拍攝整個球狀星團,而且只須一小時就可以得到這張高解析度的照片,連裡面的很暗的星星也看的一清二楚。只要每隔一段時間拍攝一張照片,就可以製作成動畫,了解星團中星體的運動軌跡。

最後,我們來介紹最後一張照片。它看起來最為夢幻,猶如一張宇宙中以繁星點綴的絲綢。它是距離地球約 1375 光年的馬頭星雲,也是離我們最近,正在形成新生恆星的區域。在星雲的上方(照片之外),有一顆明亮的恆星:獵戶座 sigma 星,這顆星輻射出的紫外光激發了位在馬頭後方的星雲,形成明亮、宛若薄紗的區域。組成馬頭的暗星雲氣體則因為溫度較低,只有些微的熱輻射,形成較為黯淡的前景,並稍微遮掩背後的明亮星雲。前後星雲層層堆疊,就像一幅宇宙給我們的水彩畫。更進一步,藉由歐幾里得望遠鏡高解析度的照片,科學家得以從中看到更多類木星、棕矮星、嬰兒恆星等,協助科學家了解星雲中的恆星形成過程。

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圖/wikimedia

對了,在我們介紹韋伯望遠鏡時有提到過,這些宇宙照通常不是它可見光波段下,真正我們肉眼所見的樣貌。而是選定特定波長後透過顏色校正,甚至將不同波段的照片疊合,才得到的結果。也就是說,選則不同的電磁波波段,或是採取不同的調色方式,得到的照片都會有不同風味。

所以如果你覺得這張淡麗的馬頭星雲不滿意,也有這張,特別強化氫元素的紅色光譜與氧元素藍色光譜後,成為一張猶如滅世風格,帶有點詭譎濾鏡的另一種美照,是不是跟剛才的氛圍完全不一樣呢?

馬頭星雲。圖/wikimedia

順帶一提,對我來說,一樣是星雲照片,韋伯望遠鏡校色出來的照片還是覺得比較好看。例如之前介紹過的,韋伯望遠鏡開光照之一的船底座星雲。還有原本是望遠鏡大前輩哈伯代表作,後來韋伯又重新翻拍的創世之柱,都更令人讚嘆不已,對比與彩度都高上許多,給人一種正在仰望廣闊宇宙的壯烈感。

韋伯望遠鏡所拍攝的船底座星雲。圖/wikimedia
創生之柱,左哈伯、右韋伯。圖/PanSci YouTube

我們更了解這個宇宙了嗎?

我們對於宇宙的瞭解還太少,目前宇宙中的已知物質,包括元素週期表上的所有原子,根據計算只佔宇宙質能的 5%,剩下的估計都是暗物質與和能量。

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但宇宙的奧秘就像一張複雜的拼圖,每拼上一小塊,都會給我們一些線索,猜測周圍的拼圖可能會是什麼。當拼的夠多,我們終有一天能得知宇宙整體的圖畫長什麼樣貌。恆星形成、星系演化方式、暗物質、暗能量等等,都各自是一塊塊重要的拼圖,唯有了解它們才能逐步得知暗物質與暗能量的奧秘。

舉例來說,暗物質所提供的重力在星系形成中扮演重要角色,目前最被科學界接受的冷暗物質(cold dark matter)模型,假設暗物質是由質量很大的粒子所組成,透過重力吸引聚集成許多小塊,小塊暗物質再彼此融合成更大的暗物質團塊,質量足夠大的團塊就可以吸引夠多的氣體,形成早期星系,之後再彼此融合成為更大的螺旋或橢圓星系。但透過數值模擬,科學家發現這個模型有些問題。理論上來說應該要有數百到數千個小衛星星系,繞行像銀河系這麼大的螺旋星系旋轉。但是天文學家實際上只觀測到約十個小星系繞行銀河系,這是著名的衛星遺失問題(Missing satellite problem)。

因此科學家又提出更多暗物質模型,比如與冷暗物質相對的熱暗物質(warm dark matter)模型,可以透過熱運動所產生的壓力抵銷重力,使得小暗物質團塊變得不穩定,從而解釋為何小星系的數量這麼少。除了熱暗物質以外,還有眾多的暗物質模型。但要證明哪個模型是正確的,就需要更多觀測數據與星系演化的模擬結果進行比較,才能得到答案。

不過看過歐幾里得望遠鏡傳回來的第一批照片,並了解其中代表的重要意義,就能充分感受到我們離解開這個謎團又更近了一步。還沒完,預計於 2027 年升空的羅曼太空望遠鏡(Nancy Grace Roman Space Telescope),與歐幾里得望遠鏡相同,都肩負研究暗能量與暗物質的重要任務。兩座望遠鏡將一同一個從可見光,一個從紅外線波段觀察大範圍宇宙,期待能為科學家帶來寶貴的數據,解開這盤旋好幾十年的謎團。

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最後問問大家,在這批照片中,你最喜歡的是哪一張呢?

  1. 英仙座星系團,大尺度的宇宙圖像,原來長這樣。
  2. 螺旋星系 IC342,我們的鄰居竟然這麼漂亮,這麼具有螺旋力。
  3. 馬頭星雲,有層次感的星雲照,真的令人目不暇給。
  4. 更多你喜歡的照片,或希望我們來介紹的天文照片,分享給我們吧!

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參考資料

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順利升空只是開始!韋伯太空望遠鏡升空後「必須完美」的 29 天旅程
楊燿綸_96
・2021/12/29 ・2569字 ・閱讀時間約 5 分鐘

  • 作者/楊燿綸|美國維吉尼亞大學天文系博士後研究員
  • 作者/張珮綺|自由撰稿人

“ trois, deux, unités, top ” ​

美東時間 12 月 25 日的清晨,亞利安五號火箭在任務指揮官 Jean-Luc Voyer 的倒數下點火。 ​

歷經 20年、100 億美元設計建造,即將成為世界上最大的太空望遠鏡 — 詹姆斯.韋伯太空望遠鏡(James Webb Space Telescope)緩緩升空,揭開人類對宇宙了解的下一個篇章。​

繼哈伯之後,次世代太空望遠鏡

​韋伯太空望遠鏡提供了前所未有的觀測能力,讓我們可以看到宇宙大爆炸之後的初代星系、橫跨宇宙時間的星系演化、系外行星的大氣組成、以及恆星行星形成的過程。​​​不同於哈伯太空望遠鏡以及大部分在地表的望遠鏡,韋伯太空望遠鏡主要觀測紅外光。

史無前例的望遠鏡設計,史上最高靈敏度

由於任何有溫度的物體(包括望遠鏡本身)都會放出紅外光,為了提高觀測的靈敏度,望遠鏡必須越低溫越好。 因此韋伯太空望遠鏡攜帶了各種「冷卻設備」,以及五層如隔熱紙一般薄、如網球場一樣大的「遮陽膜」。 ​ 

望遠鏡的位置也是一大關鍵,需要放在長期背向太陽、距離地表 150 萬公里的軌道中,讓韋伯太空望遠鏡可以繞行在太陽與地球重力影響的一個穩定點 L2。​相較之下,哈伯太空望遠鏡則是距離地表 545 公里。

韋伯望遠鏡的遮陽帆將望遠鏡分為面光側和背光側兩個部分,而望遠鏡的本體長期都會處在黑暗且低溫的背光側。圖/NASA

韋伯太空望遠鏡主鏡的直徑是 6.5 公尺,哈伯太空望遠鏡為 2.4 公尺,另外一個去年退役的紅外光太空望遠鏡 史匹哲(Spitzer) 的主鏡只有 0.85 公尺。望遠鏡的鏡面越大,能夠收集到的光也越多,讓望遠鏡更靈敏。​韋伯太空望遠鏡的靈敏度比現有的望遠鏡高 50 – 100 倍,空間解析度在中紅外光也提升了 2.5 到 7 倍。​

太空工程大躍進

​工程技術層面,這次的任務需要挑戰把一座網球場大小的望遠鏡發射到太空中。目前載貨空間最大的火箭亞利安五號(Ariane 5)只能容納約 5 公尺大小。 因此,韋伯太空望遠鏡必須要像「摺紙」一樣,折成可以放入火箭的大小,進到太空中以後再展開。 ​這是太空工程的極大挑戰, 韋伯太空望遠鏡的展開的過程必須要「萬無一失」。

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摺疊裝入亞利安五號火箭整流罩中的韋伯望遠鏡。圖/ArianeSpace, NASA, ESA

必須完美的 29 天旅程

從發射開始,韋伯太空望遠鏡要經歷長達 29 天的旅程,到達 L2 並展開到可以運行的樣貌。 有幾個時間點特別關鍵:​

⏱ 發射後 27 分鐘:韋伯太空望遠鏡脫離發射的火箭,脫離後望遠鏡就要靠自己了!​
⏱ 發射後 33 分鐘:展開太陽能板讓韋伯太空望遠鏡有電可用​
⏱ 發射後 12.5 小時:第一次的軌道修正(也是最關鍵一次), 韋伯太空望遠鏡要用攜帶的燃料推進到前往 L2 的軌道​
⏱ 發射後 5-8 天:展開五層網球場大小的遮陽膜。展開的過程中有 107 個機關必須要同時啟動去鋪開這五層遮陽膜,任何一個機關失敗,韋伯太空望遠鏡就沒有辦法進行原定的科學任務了​
⏱ 發射後 10 天:放下第二反射鏡​
⏱ 發射後 13 天:展開主要反射鏡。這時候韋伯太空望遠鏡就完全展開了!​
⏱ 發射後 29 天:進行最後的軌道修正進入 L2​

​這段旅程中有超過 300 個「必須成功的步驟」!當韋伯太空望遠鏡到達 L2 後,科學任務就正式展開!儀器團隊會先花幾個月校正各項儀器,確保韋伯太空望遠鏡一切如設計般的運作,發射後六個月「觀測任務」將會正式展開。​

主要研究方向

韋伯太空望遠鏡的設計可以用來進行各種的觀測計畫,包含前所未見的觀測計畫,大幅地推進我們對於宇宙的了解。​

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  1. 了解宇宙誕生的過程:高靈敏度的紅外光觀測可以看到大爆炸之後初代的星系。​
  2. 了解星系的演化:觀測宇宙不同時期的星系,像是暗物質對於星系的影響等等。​
  3. 也許會知道哪些行星是否適合人類居住:在紅外光可以看到很多不同分子(像是二氧化碳、水、甲烷等)獨特的光譜,透過韋伯太空望遠鏡我們可以量測系外行星的大氣組成。​
  4. 恆星與行星形成的過程:恆星與行星剛形成時多半環繞著塵埃組成的雲氣,有點像是我們常看到的雲霧,擋住了視線。而紅外光觀測可以看透這些雲氣。​

相關連結:

延伸閱讀:

  1. 出事了哈伯!細數哈伯太空望遠鏡 31 年來的維修升級史 – PanSci 泛科學
  2. 天文學未來 10 年的 3 大目標:探索適居行星、動態宇宙與星系演化—— Astro2020 報告 – PanSci 泛科學
楊燿綸_96
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天文物理學家,目前於美國維吉尼亞大學天文系擔任博士後研究員,期待扮演天文學家跟大眾的翻譯蒟蒻,讓大家能更了解我們的宇宙。本身研究專注於透過紅外光、遠紅外光及無線電波觀測,了解恆星及行星長大的過程,也特別關注恆星誕生時伴隨的化學演變。

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哈伯太空望遠鏡發射升空│科學史上的今天:4/24
張瑞棋_96
・2015/04/24 ・1053字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 479 ・五年級

1990 年的今天,哈伯太空望遠鏡在歷經波折後終於發射升空,由發現號太空梭安置在 559 公里高的軌道。肩負著天文學家的殷切期盼,開始以前所未有的視野向宇宙深處搜尋。

將望遠鏡置放於太空的好處顯而易見:

星光不會受大氣干擾,又能觀測到容易被大氣層吸收的紅外線與紫外線波段。

因此早在 1946 年天文學家史匹哲(Lyman Spitzer)就倡議發射太空望遠鏡。美國在六○年代先發射了幾次小型的觀測衛星,發現成效不錯而決定打造一個直徑 3 米的反射式望遠鏡,預計在 1979 年由太空梭載上太空。

然而預算遭到國會全數刪除,所幸在科學家們發動宣傳尋求民眾支持下,這個差點胎死腹中的計劃最後終於在刪減一半預算下過關。雖然歐洲太空總署也願意奧援部分資金,但鏡片口徑仍不得不縮減為 2.4 米,發射日期也延到 1983 年。此時望遠鏡才正式命名為哈伯,以紀念發現宇宙膨脹的天文學家哈伯(Edwin Hubble)。

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為了能觀測到紫外線波段,哈伯鏡面的精密度必須達 10 奈米。負責研磨拋光鏡子的廠商低估了其困難度,結果進度一直延後,預算也不斷追加,最後終於一切就緒時,發射日期只能排到到 1986 年 10 月。不料當年一月的挑戰者號太空梭在空中爆炸解體,所有太空梭任務必須中止,靜待調查。直到 1990 年的今天,哈伯太空望遠鏡才終於成功升空送上軌道。

但災難還沒結束。當天文學家興奮地收到哈伯傳回來的照片時,卻赫然發現影像是模糊的!原來是廠商拋光鏡面時所用的校正儀器有問題,哈伯成了近視眼。幸而鏡子整體的精密度符合規格,只要替哈伯戴上一副「眼鏡」就能將誤差校正回來。也幸而當初就設計將哈伯放在太空梭可以往返的低軌道,所以才能事後補救。

1993 年底,奮進號太空梭前往安裝更換,哈伯終於能傳回清晰的天體圖像。之後幾年又陸續為哈伯進行了幾次升級與維修(電影《地心引力》中的主角就是進行這樣的任務),直到 2009 年 NASA 宣布這第五次的維護任務會是最後一次,也就是說哈伯在未來幾年就會壽終正寢。

在太空運行二十餘年的哈伯太空望遠鏡就像隻忠實的老狗,不斷傳回宇宙深處壯觀絢麗的影像。它幫我們更精確地定出宇宙年齡、發現宇宙在加速膨脹、尋找系外行星,也讓我們目睹了跨越時空的星際奇觀,包括早期宇宙的樣貌、恆星的誕生與死亡、在星系中心吞噬物質的巨型黑洞。雖然有更多更新的太空望遠鏡將取代哈伯,然而我們將永遠記得是它最先讓身處宇宙一隅的我們眼界大開,得以一窺宇宙之神祕莊嚴。

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本文同時收錄於《科學史上的今天:歷史的瞬間,改變世界的起點》,由究竟出版社出版。

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張瑞棋_96
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1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,當了中年大叔才開始寫作,成為泛科學專欄作者。著有《科學史上的今天》一書;個人臉書粉絲頁《科學棋談》。