哈伯太空望遠鏡發射升空│科學史上的今天：4/24

國民法官生存指南：用足夠的智識面對法庭裡的一切。

• 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。

• 延伸閱讀：為何 NASA 不惜大撒幣也要把它送上太空？——認識韋伯太空望遠鏡（一） – PanSci 泛科學

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」。

• 延伸閱讀：史上最大口徑的 JWST 要如何塞進火箭？——認識韋伯太空望遠鏡（二） – PanSci 泛科學

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。​

• 延伸閱讀：太空巨獸 JWST 升空後的 150 萬里長征—— 認識韋伯太空望遠鏡（三） – PanSci 泛科學

​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。​

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。​

• 延伸閱讀：淺談 JWST 的科學意義：探索宇宙深處與塵埃後的外星世界！——認識韋伯太空望遠鏡（四）– PanSci 泛科學

相關連結：

• 韋伯望遠鏡發射的實況轉播
• 韋伯望遠鏡網站
• 韋伯望遠鏡發射跟展開的各項細節
• 韋伯望遠鏡追蹤器

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

• 作者／林彥興｜清大理學院學士班，努力在陰溝中仰望繁星 

在談完了韋伯太空望遠鏡（JWST）的源起、技術與運行軌道之後，本系列的終章就帶大家一起來了解，天文學家花費上百億美金之後，究竟希望韋伯能為哪些領域帶來突破？

追尋起源：早期宇宙與星系演化

月亮距離我們大概 380,000 公里，光需要花費 1.3 秒左右才能到達地球，因此我們看到的月亮，是 1.3 秒以前的月亮；同理，我們看到的太陽，是 500 秒以前的太陽；我們看到的仙女座星系，是 250 萬年前的仙女座星系。在宇宙中，我們看得越遠，看到的東西就越古老。某種意義上，望遠鏡就像是一座時光機，可以讓我們一窺宇宙從誕生到現在的演化歷程。

在 1995 年，一組天文學家申請哈伯太空望遠鏡進行一次瘋狂的觀測。他們選擇將哈伯太空望遠鏡對準天空中一片看似什麼都沒有的區域，接連進行了 140 個小時的曝光。他們得到的影像，日後成為天文史上最重要的照片之一，其名為：哈伯深空（Hubble Deep Field）。

天文學家們驚訝的發現，這片看似空無一物的區域，其實充滿了數以千計遙遠、古老且黯淡的星系。比起銀河系這種中老年星系，哈伯深空中拍到的許多星系才形成不久，相當的年輕有活力。瘋狂誕生恆星的星系，與現在宇宙中的星系相當不同，非常有趣。望遠鏡就好像時光機一樣，帶我們一窺宇宙過去 130 多億年的演化歷史，而哈伯深空影像，正因此成為早期宇宙與星系演化研究的一個重要里程碑。

然而，當哈伯想要往更遙遠、更古老的宇宙望去的時候，就漸漸顯得力不從心了。原因是典型的星系發出的光主要以可見光為主，但是這些古老星系發出的可見光，在前往地球的過程中，會隨著宇宙的膨脹而發生紅移。越是遙遠的星系，紅移的情況就越嚴重。因此對於非常遙遠的星系來說，它們發出的可見光到達地球時，就已經被宇宙紅移拉到紅外線波段了。因此，只能觀測紫外線到近紅外的哈伯，就很難看到它們。

這時，就是韋伯出場的時候了。專司紅外線波段的韋伯，將能夠幫助天文學家看見宇宙中第一批恆星與星系的形成，以及這些恆星與星系如何與它們周遭的環境互動。

在宇宙學方面，JWST 將能讓宇宙學家深入探索宇宙「再游離（Reionization）」的過程。這是當前早期宇宙研究最重要的課題之一。大霹靂後 38 萬年，宇宙中的氫是以原子（稱為中性氫）的方式存在，然而在當今的宇宙中，多數的氫都是以游離態存在的。天文學家猜測，是宇宙中第一批形成的星系與黑洞發出的強烈輻射，游離了宇宙中的中性氫，才使得宇宙中多數物質的狀態發生了這樣的改變。但是再游離的過程究竟如何發生，現在無論是觀測還是理論都還無法給出統一的答案，仍待 JWST 等新一代望遠鏡的進一步探索。除此之外，就像前文所述，JWST 將能讓我們看到哈伯太空望遠鏡所見更古老的星系，這些仍在襁褓中的星系長有甚麼特色？又是怎麼演化成為我們在現在的宇宙中所看到的星系？這些也是 JWST 將幫助天文學家回答的問題。

恆星搖籃：看穿恆星形成區

恆星是天文物理最古老的研究對象之一。數十年來，天文學家對於恆星的類型、內部結構、演化歷程都有相當詳細的了解。然而，星際間瀰漫的雲氣究竟是如何聚集成一顆一顆的恆星，以及其周圍的行星系統，卻還有很多不清楚的地方。

典型的觀點認為，恆星誕生於巨大分子雲（GMC）之中。當分子雲中的氣體在重力的影響下逐漸聚集，就會形成紊亂而複雜的纖維狀（filament）的結構。

而在這些結構的高密度區域，隨著溫度、壓力與密度不斷提高，最終會點燃核融合反應，形成一顆顆的恆星。雖然大致的圖像有了，但是這整個過程不僅橫跨巨大的時間與空間尺度，更牽涉到磁流體力學、輻射、化學反應鏈等一系列複雜的物理與化學過程，因此上述的許多細節，仍是天文學家們努力研究的題目。

然而，由於這些恆星的形成區，往往被濃密的氣體與塵埃所包圍，因此當天文學家使用可見光觀測時，往往只能看到黑壓壓一片，難以窺探雲氣神秘的核心之中，恆星究竟是怎麼演化的。此時，紅外線的優勢再次展現。由於波長較長，紅外線比可見光和紫外線，更能夠穿過層層的星際雲氣而不被吸收，因此可以幫助天文學家直擊初生恆星的核心區域。

除了恆星本身之外，恆星形成時環繞在其周遭的「原恆星盤（Protoplanetary disk）」也是行星誕生的溫床。利用 ALMA 等次毫米波（介於遠紅外線到無線電波之間）望遠鏡，天文學家發現許多初生的恆星系統旁，都圍繞著濃密的氣體與塵埃盤。不僅如此，它們還發現這些盤面上，常有許多大小不一的間隙（gap），很可能就是來自正在形成中的行星。在少數的系統中，天文學家甚至能夠直接拍攝到這些正在襁褓中的系外行星們。而 JWST 在紅外波段的觀測，將能夠讓天文學家更進一步了解這些行星（尤其是靠近恆星的類地行星們）的形成。

外星世界：凝視太陽系與系外行星

「我們在宇宙中是孤獨的嗎？」

這個問題雖然至今仍沒有答案，但過去 25 年，天文學家對外星世界的認識已經有了巨大的進展。曾經，系外行星是只存在於假想中的天體；但現在，天文學家已經發現了超過 4,000 顆，隨著資料的不斷更新（主要歸功於 TESS 衛星的努力），這個數量還會持續上漲。

想了解系外行星學的發展歷史？這首 Acapella Science 的作品絕對是最棒的入門！

但是，天文學家雖然知道這些系外行星的存在，對這些外星世界的了解卻還相當有限，原因是系外行星實在是太小太暗了。對於多數的系外行星，天文學家都只能用一些間接的方法，測量它們的質量、半徑、軌道週期等相對粗略的特性，並且估計這個行星是否處於適合生命生存的「適居帶（Habitable Zone）」之內。

JWST 強大的能力將幫助天文學家突破困境。它能夠以兩種主要的方式觀測系外行星：一種是趁著系外行星繞行到其母恆星前方時，觀測整個系統的光譜，並找出其中由系外行星的大氣所貢獻的吸收譜線，這種方法被稱為「凌日光譜學 （Transit Spectroscopy）」；另外一種方式是藉由「日冕儀（Coronograph）」遮擋住來自母恆星的光線，直接拍攝並取得系外行星的光譜，這種做法被稱為「直接影像法（Direct Imaging）」。結合這兩種方式，JWST 將能夠讓天文學家對系外行星的認識不再只有多大、多重、多遠這些淺顯的描述，而是能知道大氣的組成、溫度與垂直結構，以及它們隨著季節、軌道半徑等其他因素的變化，深入地了解這些外星世界，甚至是尋找生命可能存在的跡象。

除了遙遠的系外行星之外，JWST 對於太陽系內的觀測其實也能有很大貢獻喔！舉例來說，JWST 擁有的中紅外波段的光譜觀測能力，既然可以分析系外行星的化學組成，當然也可以拿來分析太陽系內的小天體，如小行星、彗星、古柏帶天體等等，補足地面天文台無法觀測中紅外線留下的資訊空缺。此外，對於火星、四大巨行星、以及土衛六泰坦的研究，都是 JWST 可能的觀測目標。

未來精彩可期

從 1996 到 2021，從「新世代太空望遠鏡」到「詹姆士．韋伯太空望遠鏡」，天文學家的超級紅外線太空望遠鏡之夢，走過了漫長而曲折的發展歷程。25 年後的今天（10 月 17 日），JWST 已經搭乘海運抵達位於南美的法屬圭亞那太空中心，準備在 12 月 18 日搭乘亞利安 5 號火箭（Ariane 5），前往日地第二拉格朗日點（L2），以前所未有的性能，展開對宇宙、星系、恆星與行星的深入研究。更重要的是，每當一代更新、更強大的儀器成軍，天文學家不僅期待它回答上述「現有」的問題，更希望它能將人類的視野，開拓至我們從未想過的領域。韋伯究竟會帶來怎樣的驚喜，就讓我們拭目以待！

參考文獻

• 綜合
  1. Science Themes
  2. Science Themes – Webb/NASA
  3. White Papers
• 早期宇宙／星系演化
  1. Simulations Show Webb Can Reveal Distant Galaxies Hidden in Quasar
  2. 星系的起源與演化——王為豪教授主講
• 恆星與行星形成
  1. NASA’s Webb to Explore Forming Planetary Systems
  2. Webb to Study How Stars’ Blasts of Radiation Influence Environments
• 系外行星
  1. NASA’s Webb to Explore a Neighboring, Dusty Planetary System
  2. 放眼系外行星的新一代望遠鏡：HabEx 太空望遠鏡

延伸閱讀

1. 為何 NASA 不惜大撒幣也要把它送上太空？——認識韋伯太空望遠鏡（一） – PanSci 泛科學
2. 史上最大口徑的 JWST 要如何塞進火箭？——認識韋伯太空望遠鏡（二） – PanSci 泛科學
3. 太空巨獸 JWST 升空後的 150 萬里長征—— 認識韋伯太空望遠鏡（三） – PanSci 泛科學

國民法官生存指南：用足夠的智識面對法庭裡的一切。

• 作者／陳麒云｜中央太空科學與工程學系
• 作者／林彥興｜清大理學院學士班，努力在陰溝中仰望繁星 

二十年磨一劍，科學家與天文迷引頸期盼的詹姆士．韋伯太空望遠鏡（James Webb Space Telescope, JWST）終於確定將於 2021 年 12 月 18 日升空。作為人類的下一支旗艦級太空望遠鏡，JWST 上配備了最尖端的科學儀器，在本系列上一篇文章：《史上最大口徑的 JWST 要如何塞進火箭？ 》中，我們詳細介紹了這些儀器與望遠鏡的鏡組機體。此篇，讓我們接續來解析，JWST 如何在一個月內，從升空，到運行至天文觀測的風水寶地 ── 拉格朗日點（Lagrangian point）。

被引力遺忘的角落

在劉慈欣所著的經典科幻小說《三體》中，三體人生活的行星圍繞著三顆質量差不多的恆星運轉。由於這三顆恆星的運動軌跡是完全不可預測的，儘管三體人擁有極為先進的數學與科學技術，卻始終無法解決這「三體問題」，導致他們的文明被無數次摧毀。

在現實中，三體問題同樣也是物理界的大哉問。其中兩位對三體問題做出重要貢獻的，就是 18 世紀的數學家歐拉（Leonhard Paul Euler）和拉格朗日（Joseph Lagrange），他們找到了「限制性三體問題」的五個特殊解：當三個天體（比如太陽、地球、太空望遠鏡）中的一體（太空望遠鏡）質量可以小至不計時，可以在空間中找到五個位置放入這個天體，使其與另外兩體的相對位置不變，以相同的週期旋轉。而這五個點，就被稱為拉格朗日點（Lagrange Point）。

由於拉格朗日點的物理特性，探測器只需要很少的燃料就可以滯留於此，這讓拉格朗日點在太空探測中有很高的價值。至今，人類已有十多架探測器到達過日-地拉格朗日點，其中包括著名的太陽和太陽圈探測器（SOHO）、威爾金森微波各向異性探測器（WMAP）等人類太空史上的重要衛星。本系列文章的主角詹姆士．韋伯望遠鏡也將跟上前輩們的腳步，前往日-地連線上的拉格朗日點 L2 執行任務。

在日地系統的 L2 上，太陽、地球、月球位於同一側，這使得 L2 上的探測器只需要想辦法擋住一側的陽光，就能達到降溫和排除光害的效果，因此 L2 成為了放置太空望遠鏡的好地方，也是韋伯望遠鏡的最好去處。

歐洲最可靠的重型運載火箭——亞利安五號

JWST 摺疊後高度超過 10 米，寬度達 4.5 公尺，更是有 6.2 噸的重量，要將如此大型的科學儀器送至地球 150 萬公里外的 L2，難度將會比發射至低地球軌道的哈伯望遠鏡高得多。而這個艱鉅的任務，將交給亞利安 5 號運載火箭（Arian 5）來完成。亞利安 5 號是歐洲太空總署開發的重型運載火箭，2009 至 2013 年環繞於 L2 軌道的赫雪爾太空望遠鏡（Herschel Space Telescope）及普朗克巡天者（Planck Space Oberservatory）正是由亞利安 5 號發射的，另外還有超過 100 次成功發射衛星至地球軌道的經驗，功勳卓越且穩定。

亞利安 5 號升空的動力由第一節火箭的火神發動機（Vulcain 2）及兩枚固態輔助火箭（Solid boosters）提供，它們將帶領火箭脫離地表。火箭的上半部則是由第二級火箭（Second stage）及酬載倉組成，另外還有整流罩包覆於第二節火箭與酬載倉外。第二級火箭的主要功能是在第一節火箭脫離後，提供繼續前進與轉向的動力；為本次任務特別製作的加大型整流罩，則可以避免火箭升空過程中，韋伯望遠鏡受到熱、震動、風壓或快速變化的氣壓影響而損壞。

2021 年 9 月初，亞利安 5 號的主要部件已經運送至法屬圭亞那發射場。包含主引擎、第二級火箭及酬載倉，並開始進行組裝與測試，固態輔助火箭等剩餘部件也會陸續到達。直至發射前一周，火箭主體完全配備完畢，才會將 JWST 裝載上酬載倉，並裝上整流罩。最後發射前夕，亞利安 5 號及韋伯望遠鏡由發射平台安裝上發射架。

一切準備就緒，只待發射場內再次響起，那代表人類進步的倒數。

Dix, Neuf, Huit, Sept, Six, Cinq, Quatre, Trois, Deux, Un, Zéro,…LAUNCH！！

發射時，兩枚固態輔助火箭和主火箭提供火箭升空的推力。兩隻輔助火箭只能提供 130 秒的動力，會最先耗盡燃料，並脫離火箭主體以減少重量。接著，當韋伯望遠鏡抵達較稀薄的高層大氣後，空氣阻力變得微乎其微，就不再需要整流罩的額外保護了。此時，整流罩將會分為兩瓣脫落，露出酬載倉裡的 JWST。

接下來，主火箭將獨自推進直到離開大氣層。發射後 9 分鐘，主火箭脫離。主火箭脫離後第二節火箭不會馬上點火，而是先帶著 JWST 繞行至大西洋上空，讓火箭在大致指向 L2 時點火，開始往目的地加速。為了避免韋伯望遠鏡因過熱而損壞，第二節火箭會一直調整方向，確保火箭一直正對太陽，最大程度上減少望遠鏡的受光量、為 JWST 抵擋一部分陽光。發射後 27 分鐘，第二節火箭脫離，並利用最後一點燃料避開韋伯望遠鏡的路徑。

自此，一路被亞利安火箭守護的韋伯望遠鏡，終於要獨自開始它的太空之旅。

詹姆士．韋伯的太空漂流之旅

要在太空中展開一個網球場大的望遠鏡，對溫度控制和機械結構的挑戰很高，所以 JWST 的展開將會非常緩慢，也非常壯觀。韋伯望遠鏡與亞利安火箭分離後，首要任務是和地面建立聯繫，太陽能板和天線會在發射後 24 小時內展開，建立韋伯在太空中定位和飛行的能力，也停止消耗電池電量，為後續各構造的展開做準備。

首先要展開的是摺疊於支架上的遮陽帆 （Sunshield） ，放下前後遮陽帆支架後，JWST 核心的伸縮塔會把鏡組抬升約 2 公尺，提供 遮陽帆完全展開的空間。接下來，左右舷的伸縮機械臂依序將左右剩餘的遮陽帆拉出。部屬遮陽帆的最後一步是拉緊薄膜，這五層厚度比頭髮還細的薄膜，各自有不同的大小和形狀，將五層薄膜分離至特定的位置才能徹底展開，發揮遮陽的作用。

遮陽帆展開後，JWST 大約會花五天的時間降溫到其最終操作溫度，在遮陽帆作用下，遮陽帆陰影中的鏡組能降溫到攝氏 -200 度以下。發射後 11天，背光面已經足夠低溫，是時候展開韋伯望遠鏡最後的展開工作 ── 鏡組展開。首先，次鏡慢慢從主鏡上方放下，並固定到位。接著，位於主鏡後方的散熱器展開，用於處理多餘的熱量，對 JWST 這種紅外線任務來說，這項功能任務至關重要，避免蒐集的訊號淹沒在熱造成的雜訊中。最後，主鏡的兩翼固定到位，完成詹姆士．韋伯望遠鏡的全部展開工作。然而展開工作完成後，韋伯望遠鏡離開始運作仍有很長的路要走。

主鏡固定到位後，JWST 要繼續在太空中漂流約兩周，才會啟動推進器，轉向進入 L2 軌道。值得一提的是，JWST 不會正好在 L2 點，而是以 6 個月為周期圍繞著 L2 運行，稱為「暈輪軌道（Halo Orbit）」。在暈輪軌道上，維持軌道所需的動力較少，這讓韋伯望遠鏡攜帶少量燃料就能在軌道上運作超過 5 年。與每隔 90 分鐘進出地球陰影的哈伯望遠鏡不同，運行於暈輪軌道能讓韋伯遠離地球的陰影，從而確保其太陽能板能持續供電，觀測也不會受到地球的遮擋。

韋伯望遠鏡進入 L2 軌道後，科學團隊將開啟長達半年的儀器調整與校正，包括 18 塊主鏡的對焦微調、四大酬載的拍攝測試等等。如果一切順利，我們有機會在明年暑假前，看到詹姆士．韋伯望遠鏡的開光照，一窺這隻太空巨獸的火力。相信屆時 NASA 能說服我們，這二十年的等待是值得的。

參考資料

1. James Webb Space Telescope – Webb/NASA
2. JWST Orbit – JWST User Documentation (stsci.edu)

延伸閱讀

1. The Launch – Webb/NASA
2. 為何 NASA 不惜大撒幣也要把它送上太空？——認識韋伯太空望遠鏡（一）
3. 史上最大口徑的 JWST 要如何塞進火箭？——認識韋伯太空望遠鏡（二）
4. 淺談 JWST 的科學意義：探索宇宙深處與塵埃後的外星世界！——認識韋伯太空望遠鏡（四）