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石墨烯攻佔遠紅外波段

NanoScience
・2012/05/25 ・898字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 577 ・九年級

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只有一層原子厚的石墨烯(graphene)能吸收超過 2% 的可見光,已經夠令人意外,最近美國科學家還有更驚人的發現─石墨烯在遠紅外光和微波波段的吸收率高達 40%。這項發現開啟了石墨烯在透明兆赫光電子學、兆赫頻率與紅外光波段的超穎材料、隱形斗蓬(cloaking)以及轉換光學(transformation optics)的應用契機。

研究發現,石墨烯在遠紅外光和微波波段的吸收率高達 40%。圖片來源:維基百科(http://0rz.tw/PcQ7n)

石墨烯是單原子厚的二維碳材料。自 2004 年問世後,此『神奇材料』持續以其獨特的電子和機械性質驚豔科學界。有人認為石墨烯未來將取代矽成為電子產業的新寵,原因是電子在石墨烯內的行為類似無靜止質量的迪拉克(Dirac)粒子,能以極高速度運動。迪拉克電子也讓石墨烯具有非常寬的光吸收頻譜,範圍從可見光到紅外光,遠比 III-V 族半導體來得寬,因此石墨烯也是光電應用的理想材料。

紅外光波段的電磁波在光通訊上頗為重要,兆赫波則可應用於生物造影、材料分析以及安檢系統。,因此了解石墨烯在這些波段的特性,對於發展應用在些波段的石墨烯光電元件為極重要。由 Phaedon Avouris 領軍的 IBM 研究團隊最近發現,石墨烯在遠紅外光和微波波段的吸收率高達 40%。

該團隊先前已研究過石墨烯的紅外光輻射,他們測量了溫度分佈、載子密度與迪拉克點(Dirac point)的位置。迪拉克點為石墨烯能帶結構內的電荷中性(charge neutrality)點,也就是線性價帶與線性導帶的交點,由於未摻雜石墨烯的費米能階(Fermi level)與迪拉克點重疊,故此點位置對石墨烯性質有決定性的影響。

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最近,此團隊進一步利用紅外光譜儀來研究少層晶圓級磊晶石墨烯與化學氣相沉積法(CVD)製作的單層石墨烯。由於載子在遠紅外波段的吸收能力與石墨烯的光導率(optical conductivity)成正比,研究人員得以確定樣本的電阻。此外,他們也透過光導率的頻率關係,計算出自由載子在傳輸時的散射率。

該團隊目前正著手改良 CVD 石墨烯的摻雜品質,並試圖得到更高的遠紅外光吸收效率。他們同時也計畫以石墨烯製作透明兆赫元件。詳見 ACS Nano|DOI: 10.1021/nn203506n。

譯者:劉家銘(逢甲大學光電學系)
責任編輯:蔡雅芝
原文網址:Graphene absorbs infrared light—nanotechweb.org

本文來自 NanoScience 奈米科學網 [2011-12-16]

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快!還要更快!讓國家級地震警報更好用的「都會區強震預警精進計畫」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/01/21 ・2584字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

從地震儀感應到地震的震動,到我們的手機響起國家級警報,大約需要多少時間?

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站;1999 年臺灣爆發了 921 大地震,當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位;2014 年正式對公眾推播強震即時警報;到了 2020 年 4 月,隨著技術不斷革新,當時交通部中央氣象局地震測報中心(以下簡稱為地震中心)僅需 10 秒,就可以發出地震預警訊息!

然而,地震中心並未因此而自滿,而是持續擴建地震觀測網,開發新技術。近年來,地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元!

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連上網路吧!用建設與技術,換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」,該計畫致力於跨部會、跨單位合作,由 11 個執行單位共同策畫,致力於優化我國環境與防災治理,並建置資料開放平台。

看到這裡,或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網(Internet of Things,IoT)有什麼關係,嘿嘿,那可大有關係啦!

當我們將各種實體物品透過網路連結起來,建立彼此與裝置的通訊後,成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中,即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統,並進行運算,實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站,但能夠和地震中心即時連線的,只有其中 500 個,藉由這項計畫,地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量,並優化原有強震監測站的聯網品質。

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在地震中心的評估中,可以連線的強震監測站大約可在 113 年時,從原有的 500 個增加至 600 個,並且更新現有監測站的軟體與硬體設備,藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知,倘若地震儀沒有了聯網的功能,我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後,有什麼好處?

除了加強地震儀的聯網功能外,把地震儀「放到地下」,也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下?用日常生活來比喻的話,就像是買屋子時,要選擇鬧中取靜的社區,才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂;看星星時,要選擇光害比較不嚴重的山區,才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

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地表有太多、太多的環境雜訊了,因此當地震儀被安裝在地表時,想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波,就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難,無論是電腦或研究人員,都需要花費比較多的時間,才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的?基本上,只要是你想得到的人為震動,對地震儀來說,都有可能是「噪音」!

當地震儀靠近工地或馬路時,一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站,是噪音;大稻埕夏日節放起絢麗的煙火,隨著煙花在天空上一個一個的炸開,也是噪音;台北捷運行經軌道的摩擦與震動,那也是噪音;有好奇的路人經過測站,推了推踢了下測站時,那也是不可忽視的噪音。

因此,井下地震儀(Borehole seismometer)的主要目的,就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」,記錄到更清楚、雜訊更少的地震波!​無論是微震、強震,還是來自遠方的地震,井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

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地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動,根據不同測站底下的地質條件,​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外,站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池,讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大,為什麼無法大規模建造測站呢?簡單來說,這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井,然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本,因此,即使井下地震儀的訊號再好,若非有國家建設計畫的支援,也難以大量建置。

人口聚集,震災好嚴重?建立「客製化」的地震預警系統!

臺灣人口主要聚集於西半部,然而此區的震源深度較淺,再加上密集的人口與建築,容易造成相當重大的災害。

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許多都會區的建築老舊且密集,當屋齡超過 50 歲時,它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的,若是超過 25 年左右的房屋,也有可能不符合最新的耐震規範,並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀:

在地震界有句名言「地震不會殺人,但建築物會」,因此,若建築物的結構不符合地震規範,地震發生時,在同一面積下越密集的老屋,有可能造成越多的傷亡。

因此,對於發生在都會區的直下型地震,預警時間的要求更高,需求也更迫切。

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地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統,目標針對都會區直下型淺層地震,可以在「震後 7 秒內」發布地震警報,將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起,地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組,並開始上線測試,當前正致力於臺南市的模組,未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難,無法主動保護民眾的生命安全,若人民沒有搭配正確的防震防災觀念,即使地震警報再快,也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術,地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道,經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》,讓民眾了解正確的避難行為與應變作為,充分發揮地震警報的效果。

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此外,雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒,研發新技術的腳步不會停止;未來,他們將應用 AI 技術,持續強化地震預警系統的效能,降低地震對臺灣人民的威脅程度,保障你我生命財產安全。

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凍傷了?來微波加熱一下~
胡中行_96
・2023/02/20 ・1975字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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俄羅斯西伯利亞的科學家,於 2023 年 1 月的《科學報告》(Scientific Reports)期刊上,發表了一些看似能防止烤雞的外皮過焦,同時確保內部肉質鮮美多汁的技巧。比方說,一般作法「由外部加溫很危險,不是每次都能得到正向的結果…」。若改用微波,則「所需的溫度相對不高」,但要力求整體均衡,「不能只有外層受熱」。遺憾他們說了半天,卻跟食物無關,其實是在介紹如何安全又有效地,用特製的微波裝置,治療凍傷患者的四肢。[1]

當然不是把凍傷患者,丟進家用微波爐裡。圖/osseous on Flickr(CC BY 2.0)

微波的對象與裝置

就像料理烤雞,得先弄來雞隻和烘烤的設備;進行這項研究前,需要滿足兩個條件:

  1. 招募凍傷的人:在氣候冷冽的西伯利亞,要造成凍傷,難度並不高。不過,根據《赫爾辛基宣言》(Declaration of Helsinki),人體試驗應該符合倫理,將志願者可能受到的傷害降至最低。[2]不能隨便把人往雪地扔的研究團隊,在當地 Tomsk 市的 2 家醫院守株待兔,期望意外凍傷的人自己找上門。2018 至 2021 年間,每年的冬季他們都耐心等候,總共蒐集到 14 名超過 20 歲的男性,簽署受試同意書。[1]
  2. 製作微波裝置:研究團隊精心打造的裝置(下圖),簡單來說,就是一台方便手腳伸進去加熱的微波爐。前面的圓形入口,包覆著具隔絕效果的金屬材質,以保護傷患與研究人員,免於非必要的輻射暴露。此裝置的微波頻率為 2.45 吉赫(GHz);而功率可達 200 瓦特(watts;簡寫 W),即每秒產生200 焦耳(joule;縮寫 J)的熱能。[1]換句話說,頻率與家用微波爐無異,功率卻低了數倍。[3]

由於研究團隊只想幫傷患加溫,沒有要煮熟他們的意圖,便設定開到 60 瓦特。再加上操作時,會喪失些許熱能,最後傷患實際接收到的,大約僅有 30 至 40 瓦特每個患部加熱 1 至 3 次,每次 30 分鐘。雖然感覺微溫,但不至於難受。9 名傷患接受上述治療;另外 4 個嘗試了不同的功率;還有 1 人則是時間長度減半。[1]

可以把手腳伸進去加熱的微波爐。圖/參考資料 1,Figure 2(CC BY 4.0)

加溫的原理

平均而言,當人體組織的溫度低於攝氏 15 度左右,血液和淋巴循環會停止。身體各部位略有差異,手指的下限是 19 度;而腳趾為 15 度。為凍傷患者回溫時,目標溫度大約是 20 到 25 度上下,要觸及整個患部,而非僅有表層。讓身體恢復運作,才能透過循環,順利輸送藥物。以往從外部加溫的作法,會舒張表層血管,卻容易在深層血管收縮的情況下,導致壞死和截肢等問題。相對地,低功率的微波可以穿透到組織深層,逐漸舒張血管,促進血液與淋巴的循環,不會有上述副作用。[1]

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天寒地凍的西伯利亞 Tomsk 市。圖/Артём Полоз on Wikimedia Commons(CC BY-SA 4.0)

凍傷的等級

凍傷依照程度,可以分為 4 個等級:[4]

  1. 第一級:麻木、脫屑、感覺異常、中央蒼白,以及周圍水腫或紅腫。[4]
  2. 第二級:起水泡,周圍紅腫或水腫。[4]
  3. 第三級:失去整層皮膚組織,還長了出血性水泡。[4]
  4. 第四級:不僅皮膚,連深層組織都喪失了。[4]

微波的療效

此研究受試者的凍傷程度涵蓋上述四級,治療時除了微波,也採用標準療程的消毒與藥物,並視情況選擇是否手術。整體來說,科學家對微波相當滿意,覺得能降低截肢的機率。此外,雖然第一、二級的傷勢輕微,效果比較不明顯;但是他們認為無論初步評估的凍傷程度,每個傷患最好都要接受微波。因為診斷難免失準,若因此錯過治療時機,實在得不償失。[1]

既然如此,未來遇到凍傷患者,是不是都該抓來微波一下?儘管研究證明了科學家的假設似乎可行,目前的受試者就區區幾名男性,不足以建立一套完善的操作指南。臨床上不同體型、年紀或性別的傷患,或許適合不同功率或時間長度的微波治療。這些都有待將來進一步試驗,才能推廣運用。[1]

  

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參考資料

  1. Dunaevskiy G, Gavrilin E, Pomytkin A, et al. (2023) ‘Reduction of amputations of frostbitten limbs by treatment using microwave rewarming’. Scientific Reports, 13, 1362.
  2. WMA Declaration of Helsinki – Ethical Principles for Medical Research Involving Human Subjects’. (06 SEP 2022) World Medical Association.
  3. Radiation: Microwave ovens’. (01 JUN 2005) World Health Organization.
  4. Basit H, Wallen TJ, Dudley C. (27 JUN 2022) ‘Frostbite’. In: StatPearls. Treasure Island (FL): StatPearls Publishing.
胡中行_96
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曾任澳洲臨床試驗研究護理師,以及臺、澳劇場工作者。 西澳大學護理碩士、國立台北藝術大學戲劇學士(主修編劇)。邀稿請洽臉書「荒誕遊牧」,謝謝。

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石墨烯攻佔遠紅外波段
NanoScience
・2012/05/25 ・898字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 577 ・九年級

只有一層原子厚的石墨烯(graphene)能吸收超過 2% 的可見光,已經夠令人意外,最近美國科學家還有更驚人的發現─石墨烯在遠紅外光和微波波段的吸收率高達 40%。這項發現開啟了石墨烯在透明兆赫光電子學、兆赫頻率與紅外光波段的超穎材料、隱形斗蓬(cloaking)以及轉換光學(transformation optics)的應用契機。

研究發現,石墨烯在遠紅外光和微波波段的吸收率高達 40%。圖片來源:維基百科(http://0rz.tw/PcQ7n)

石墨烯是單原子厚的二維碳材料。自 2004 年問世後,此『神奇材料』持續以其獨特的電子和機械性質驚豔科學界。有人認為石墨烯未來將取代矽成為電子產業的新寵,原因是電子在石墨烯內的行為類似無靜止質量的迪拉克(Dirac)粒子,能以極高速度運動。迪拉克電子也讓石墨烯具有非常寬的光吸收頻譜,範圍從可見光到紅外光,遠比 III-V 族半導體來得寬,因此石墨烯也是光電應用的理想材料。

紅外光波段的電磁波在光通訊上頗為重要,兆赫波則可應用於生物造影、材料分析以及安檢系統。,因此了解石墨烯在這些波段的特性,對於發展應用在些波段的石墨烯光電元件為極重要。由 Phaedon Avouris 領軍的 IBM 研究團隊最近發現,石墨烯在遠紅外光和微波波段的吸收率高達 40%。

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該團隊先前已研究過石墨烯的紅外光輻射,他們測量了溫度分佈、載子密度與迪拉克點(Dirac point)的位置。迪拉克點為石墨烯能帶結構內的電荷中性(charge neutrality)點,也就是線性價帶與線性導帶的交點,由於未摻雜石墨烯的費米能階(Fermi level)與迪拉克點重疊,故此點位置對石墨烯性質有決定性的影響。

最近,此團隊進一步利用紅外光譜儀來研究少層晶圓級磊晶石墨烯與化學氣相沉積法(CVD)製作的單層石墨烯。由於載子在遠紅外波段的吸收能力與石墨烯的光導率(optical conductivity)成正比,研究人員得以確定樣本的電阻。此外,他們也透過光導率的頻率關係,計算出自由載子在傳輸時的散射率。

該團隊目前正著手改良 CVD 石墨烯的摻雜品質,並試圖得到更高的遠紅外光吸收效率。他們同時也計畫以石墨烯製作透明兆赫元件。詳見 ACS Nano|DOI: 10.1021/nn203506n。

譯者:劉家銘(逢甲大學光電學系)
責任編輯:蔡雅芝
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出來單挑啊!同樣都是鼎鼎大名的太空望遠鏡,哈伯與韋伯到底誰比較強?
htlee
・2022/09/21 ・2029字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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最近,韋伯太空望遠鏡發布首批科學影像,終於看到敲碗好久的結果——韋伯拍到了人類從未見過的許多東西!有人說,韋伯是哈伯的繼任者,但不知道大家是否好奇過,哈伯和韋伯到底誰比較強?

哈伯望遠鏡和韋伯望遠鏡之戰,正式開打!

這個問題有點難回答,因為兩部望遠鏡都是當代科技的結晶。哈伯是 1990 年升空的王者,韋伯是 30 年後科技進步下的產物,我試著用客觀的方式來比較這兩部太空望遠鏡。

哈伯觀測可見光,韋伯觀測紅外光

哈伯的主鏡直徑是 2.4 公尺,韋伯則是 6.5 公尺,韋伯的主鏡直徑比哈伯大 2.7 倍,這也是大家最常比較的部分。可是,如果主鏡大就比較厲害,那麼夏威夷大島上的凱克 10 公尺望遠鏡,不就比哈伯和韋伯更強?

哈伯的主鏡直徑是 2.4 公尺(左),韋伯的則是 6.5 公尺(右)。圖/維基百科

哈伯與韋伯觀測的波段不同,用途也不一樣。哈伯主要觀測的波段在可見光,可見光是指人類眼睛可以看見的光或顏色範圍,也就是紅、橙、黃、綠、藍、靛和紫。從紅光到紫光,光的波長由長到短,紅光的波長大約是 0.62–0.74 微米(1 微米=0.001 公釐),紫光的範圍則是 0.38–0.45 微米。

紅外光是指比紅光波長更長的光,也就是波長比 0.7 微米更長,這是韋伯望遠鏡主要觀測宇宙的波段。

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哈伯和韋伯太空望遠鏡觀測的波段,一個在可見光,另一個在紅外光,所以在功用上本來就不一樣,如果要比較的話就要小心,不然就像拿橘子跟蘋果相比,拿不同的東西做比較顯得很突兀。

誰看得比較清楚?來比一比解析度吧!

哈伯與韋伯可以拿來做比較的是解析度,解析度的值(角秒)愈低,表示能看到天體愈細微的部分,解析度跟主鏡直徑和觀測的波長有關。望遠鏡主鏡愈大,解析度愈好;另外也跟觀測的波長成正比。

解析度的計算公式。

以下兩張影像分別是史匹哲太空望遠鏡(Spitzer Space Telescope)和韋伯拍的天空中同一區域紅外光影像,拍攝的紅外波長也差不多(史匹哲:8 微米,韋伯 7.7 微米),不過兩幅影像的解析度卻差很多,韋伯的影像中可以看到更多的細節,史匹哲則好像糊成一團。

史匹哲與韋伯望遠鏡的影像解析度比較,顯然韋伯的影像解析度高很多。圖/NASA

當觀測的波長一樣時,解析度跟觀測望遠鏡的主鏡直徑成反比。史匹哲的主鏡是 0.85 公尺,所以韋伯的解析力是史匹哲的 6.5/0.85=7.8 倍!主鏡的大小直接反應在解析度上,韋伯與史匹哲在解析度上高下立判!

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解析度除了跟主鏡的直徑成反比,也跟觀測的波長成正比。所以同一面主鏡觀測天體,用愈短的波長觀測解析度愈好。下圖是史匹哲望遠鏡觀測 M81 星系的結果,同樣 0.85 公尺的主鏡觀測,隨著觀測波長的增加,解析度變差。

史匹哲望遠鏡拍攝的 M81 星系,拍攝的波段是 24(上)、70(中)、160 微米(下),拍攝的波段愈長,解析度愈差。圖/NASA

答案揭曉——哈伯的解析度略勝一籌!

前面提到解析度跟主鏡直徑與觀測波長的關係有一個重要前提,主鏡必須研磨到完美、光滑,也就是主鏡上不能出現高低起伏。如果主鏡不完美,像遊樂場裡的哈哈鏡,不能聚焦成像,解析度自然不好。

波長愈短對鏡面的要求愈高。哈伯太空望遠鏡的鏡面對 0.5 微米波長更長的光是完美的,比 0.5 微米波長更短的光波則呈現不完美,韋伯望遠鏡的主鏡則是對 2 微米更長的波長是光滑的。(光學上,物理學家的說法是哈伯和韋伯分別在 0.5 和 2 微米達到繞射極限。)

哈伯和韋伯望遠鏡最佳解析度分別在 0.5 微米和 2 微米,根據前面的解析度公式,哈伯在 0.5 微米的解析度是 0.05 角秒,而韋伯在 2 微米的解析度是 0.08 角秒,結論是哈伯的解析度比韋伯稍微好一點!也就是哈伯老當益壯,一點也不比韋伯差。

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史蒂芬五重星系,哈伯(左)與韋伯(右)拍攝的影像,從解析度來看,兩部太空望遠鏡不相上下。圖/NASA

從哈伯到韋伯,有如長江後浪推前浪

天文學家從 1990 年開始,透過哈伯望遠鏡研究宇宙,這三十年來科學家已經把哈伯的功能發揮到極致,我們對宇宙的了解很多都來自哈伯的觀測。不過這三十年的努力也讓天文學家發現哈伯不足的地方,科學家知道關鍵在紅外線觀測能力。前一代的紅外望遠鏡史匹哲無法達到需求,天文學家只能殷殷期盼韋伯。

韋伯首批公布的影像中,幾乎都是哈伯曾經拍過的天體,從科學上來說,比較可見光和紅外影像資料可以對目標天體更多了解,不過我認為這應該是韋伯對哈伯致敬的方式,感謝哈伯三十多年的貢獻!

韋伯站在巨人的肩膀上,必定能看得更暗、更遠!

htlee
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屋頂上的天文學家-李昫岱,中央大學天文所博士,曾經於中央研究院天文所和美國伊利諾大學厄巴納-香檳分校從事研究工作。著有《噢!原來如此 有趣的天文學》、《天文很有事》,翻譯多本國家地理書籍和特刊。 目前在國立中正大學教授「漫遊宇宙101個天體」和「星空探索」兩門通識課。天文跟其他語文一樣,有自己的文法和結構,唯一的不同是天文寫在天上!現在的工作是用科學、藝術和文化的角度,解讀、翻譯和傳授這本無字天書,期望透過淺顯易懂的方式介紹天文的美好!