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出事了哈伯!細數哈伯太空望遠鏡 31 年來的維修升級史

EASY天文地科小站_96
・2021/07/09 ・3188字 ・閱讀時間約 6 分鐘
  • 文/林彥興|清大理學院學士班,努力在陰溝中仰望繁星
  • 文/邵思齊|台大地質科學系,沉迷於世界的浩瀚之中

2021 年 6 月 13 日,哈伯太空望遠鏡上負責控制與協調儀器的酬載電腦(payload computer)突然關閉,主電腦不再接收到酬載電腦的指示訊號,所有觀測計畫也被迫中斷。至此文撰寫時(7 月 2 日)NASA 仍在嘗試啟用備用的酬載電腦與記憶體。其實這不是哈伯第一次發生故障了,在它漫長的服役生涯中,哈伯曾多次發生故障需要維修。從 1990 到 2009 年之間,哈伯共接受過四次太空梭的服務任務(Service Mission),除了排除故障,也將老舊的設備換新,提升望遠鏡的觀測能力。本文就讓我們一起來回顧過去三十多年中,哈伯太空望遠鏡的維修與升級史吧!

第一次任務:STS – 61 (1993)

擁有一座位於大氣層之上的天文台可謂是二十世紀天文學家的共同夢想。在不受大氣干擾的外太空,不僅可以拍攝出更加銳利清晰的影像,更可以觀測紫外線、紅外線等容易被大氣吸收的波段,以更全面的了解宇宙中的天體。而 NASA 與 ESA 合作的哈伯太空望遠鏡計畫,正式完成這份夢想的結晶。哈伯的主鏡直徑高達 2.4 公尺,並搭載了五個(見下圖)功能各異的相機,以好好的分析這麼大口徑的望遠鏡所收集的光線。不僅如此,作為野心勃勃的頂級太空望遠鏡計畫,NASA 早在設計之初就幫哈伯預留了可以升級與維修的空間,且預定以太空梭進行四次「服務任務(Service Mission)」,幫助哈伯與時俱進,在軌道上工作十五年。但出乎意料的是,這個功能竟然這麼快就得派上用場。

哈伯太空望遠鏡剛升空時的初始配備。圖/NASA/ESA,製圖:邵思齊

哈伯在 1990 年發射不久後,研究人員就發現望遠鏡的成像有著嚴重的問題,拍攝出來的影像模糊不清,就好像望遠鏡近視了一樣。經過檢驗,NASA 發現原因出在主鏡的弧度磨製錯誤,勢必需要進行調整,這使得原本規劃的第一次服務任務更加迫切與重要。

第一次服務任務於 1993 年由奮進號太空梭執行。當時六名組員搭乘太空梭飛到哈伯身旁後,他們拆掉了哈伯的「第一代廣域和行星照相機 WFPC」,並將內建有修正鏡組的「第二代廣域和行星照相機 WFPC2」裝了上去。同時,他們拆除了「高速光度計 HSP」並在空出來的空間安裝了一組名 COSTAR 的修正鏡組,負責幫其他沒有內建修正鏡片的儀器(GHRS、FOC 與 FOS)修正扭曲的影像。於是哈伯在升空三年後,哈伯的成像問題終於解決,開始了正常的觀測與科學研究。

COSTAR 的安裝過程。圖/ NASA/ESA
第一次服務任務前(左)後(右)哈伯拍攝的照片比較,可以看到影像品質的進步相當明顯。
圖/NASA and STScI

第二次任務:STS – 82 (1997)

經過第一次任務的維修,哈伯突破性的觀測資料為人們展示了宇宙深處的各種風貌,與此同時,嶄新的技術與硬體也正準備要登上太空。第二次服務任務更新了兩個科學儀器,一是把原本用來觀測紫外線的光譜儀 GHRS 換成近紅外線為主的 NICMOS,二是把原本專用於拍攝小天區的 FOS 換成了可以拍照片也可以拍光譜的紫外線相機 STIS,補上原本 GHRS 負責的紫外線波段。

第三次任務:STS – 103 (1999) & STS – 109 (2002)

哈伯的第三次維修任務原定於 2000 年 6 月進行。然而,突如其來的意外打破了原本的計畫。

不像車子或飛機,人造衛星處於空無一物的太空中,想要轉向是相當不容易的事情。尤其哈伯作為一台望遠鏡,需要精準而穩定的持續指向星體才能好好拍照,對姿態控制(attitude control)的要求相當的高。為此,哈伯採用了六顆「陀螺儀(gyroscope)」,以角動量守恆的原理來偵測望遠鏡的轉動,協助維持它的精準指向。一般情況下,哈伯需要三顆陀螺儀正常運作,才能觀測目標。

但是 1999 年 11 月 13 日,哈伯上的六具陀螺儀壞了四具,使得望遠鏡無法繼續觀測,只能進入安全模式待機。因此,NASA / ESA 決定將原本的第三次維修任務拆成兩次執行。

於是,1999 年 12 月 19 日,哈伯拯救部隊搭乘再次搭乘發現號升空,執行「維修任務 3A」。這次的任務都是機械設備的更新,包括換裝新的陀螺儀、控制電腦、資料儲存裝置、感測器、天線、保護毯等等。而科學儀器的更新,則要等到維修任務 3B 再進行。

而以升級觀測儀器為目標的 3B 任務終於在 2002 年登場。本次任務最重要的目標,就是要裝上哈伯的新一代相機「先進巡天照相機 ACS」。ACS 是哈伯的第三代相機,取代了原本的暗天體相機,並擁有比 WFPC2 大兩倍的視野,能夠更有效率的拍攝大範圍的區域,儀器名稱中的「巡天」二字正是從此而來。另外,本次任務還更換了哈伯的太陽能板,使哈伯的外觀發生了非常明顯的變化。

ACS 的感光元件。圖/NASA/ESA and the ACS Science Team
ACS 全套系統。圖/NASA/ESA and the ACS Science Team
3B 維修任務之前的哈伯。圖/NASA
3B 維修任務之前(左)與之後(右)哈伯的外觀變化。圖/NASA

第四次任務:STS – 125 (2009)

哈伯可維修的設計,讓一個 1980 年代以前設計的望遠鏡直到 21 世紀初都仍是天文學的頂尖先鋒。但可惜的是,2003 年哥倫比亞號太空梭在返航時解體,造成了七名太空人殉職的悲劇,使得世人再次質疑起太空梭的安全性。加上成本的日益高漲,讓 NASA 最終決定盡快將其退役。於是,第四次維修任務,就成為了最後一次維修哈伯的機會。

2009 年 5 月 11 日,亞特蘭提斯號太空梭升空,這是人類最後一次造訪哈伯。這次任務中,太空人幫哈伯安裝了「廣域相機 3(WFC3)」與「宇宙起源光譜儀(COS)」,再一次強化哈伯的觀測能力。同時還修復了分別在 2004 年與 2007 年故障的 STIS 與 ACS 兩台儀器。並且還幫陀螺儀、飛控電腦、電池等多項零件大換血,盡力延長哈伯可以繼續服役的時間。從此,哈伯只能自力更生。

哈伯太空望遠鏡的儀器升級歷史。圖/林彥興

展望未來

四次的服務任務,讓 1970 年代設計的哈伯太空望遠鏡,直到 2020 年代都仍活躍在天文學的最前沿,締造無數傳說。但隨著時間過去,哈伯已經無人維修長達 11 年之久,期間雖然多次遭遇陀螺儀失效、電腦當機等故障,但工程師們仍千方百計地保持望遠鏡的運作。然而,2021 年 6 月 13 日的這次故障,經過近一個月的搶救仍無法恢復正常。沒有人知道,哈伯太空望遠鏡的傳奇是否將在此終結。

還好,即使哈伯就此功成身退,NASA、ESA 與 CSA 合作的下一代旗艦級太空望遠鏡即將在今年底升空,它就是「詹姆士.韋伯太空望遠鏡 JWST」。它擁有直徑 6.5 公尺、金光閃閃的六角形鏡面,集光面積是哈伯的五倍以上。而且與主攻紫外線和可見光的哈伯不同,韋伯的觀測波段位於紅外線,這讓它可以看穿星際塵埃,直擊深埋在分子雲中的初生恆星;也可以極力遠望,看到宇宙早期的第一批恆星與星系;又或者是利用光譜儀,分析系外行星的大氣組成,尋找生命的蹤跡。韋伯將會續寫哈伯的傳奇,帶領我們更深入的了解宇宙的奧秘!

韋伯太空望遠鏡概念圖。圖/Kevin Gill

延伸閱讀

  1. Hubble 30 圖文專輯(一)
  2. Hubble 30 圖文專輯(二)
  3. Hubble 30 圖文專輯(三)
  4. 百倍於哈伯觀測能力,大小尺度通通包辦!——NASA 的下一個旗艦級「羅曼太空望遠鏡」 – PanSci 泛科學
  5. 哈伯望遠鏡因電腦問題暫時停擺
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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)
EASY天文地科小站_96
・2021/10/07 ・3106字 ・閱讀時間約 6 分鐘
  • 作者/陳子翔|師大地球科學系| EASY 天文地科團隊創辦者

作為 NASA 最新一代旗艦級太空望遠鏡,詹姆士.韋伯望遠鏡在性能上當然必須是太空望遠鏡中的佼佼者。然而,工程師與科學家要如何設計韋伯望遠鏡,才能讓它擁有強大的觀測能力呢?這個問題深究起來相當複雜,不過大方向卻出乎意料的簡單,那就是:「越大越好」。

如何衡量望遠鏡的觀測能力

在說明望遠鏡為什麼越大越好前,讓我們先想想,要如何衡量一部望遠鏡的觀測性能好不好呢?一般來說,望遠鏡最重要的兩項性能指標,就是它的「解析力」和「集光力」。

解析力可說就代表望遠鏡的「視力」。解析力越好的望遠鏡,能拍出天體更多的細節,或是說分辨出解析力較差的望遠鏡無法分辨出來,兩顆非常接近的星星。就像是做視力檢查時,當無法看清楚視力檢查表上某一排的「E」到底指向何處時,其實就代表自己眼睛的「極限解析力」已經無法解析出那一排的「E」囉!而天文學家,當然會希望望遠鏡的「視力」超級好呀!

而集光力則可以衡量望遠鏡蒐集星光(來自天體的電磁波)的效率。平時我們用手機拍照時,通常只需要幾百分之一秒的曝光,就能夠拍清楚日常生活周遭的景像。但由於宇宙中的天體往往非常黯淡,要蒐集這些天體的資料,進行學術研究的天文學家對一個目標的曝光時間,經常都是好幾個小時起跳。有時甚至需要超過一星期的曝光時間呢!

可以想像在這樣的情況下,一部望遠鏡的集光效率,是非常重要的一件事。如果你的望遠鏡的集光力是別人的四倍,那別人要花一個月才能拍攝到的目標,你只需要一個禮拜就可以完成。多出來的這些時間,就可以拿去拍攝更多目標,或是對同一個目標拍攝更長的時間,以研究更多黯淡的細節。

Hubble Ultra Deep Field
哈伯極深空,曝光時間大約是11.3天。圖/NASA, ESA, and S. Beckwith (STScI) and the HUDF Team

大口徑,真香!


解析力與集光力是望遠鏡最重要的性能指標,而且它們都與同一個因子息息相關,那就是望遠鏡的「口徑」,即望遠鏡主鏡的直徑大小。

若假設望遠鏡主鏡是完整的圓形,那解析力與口徑是成正比的,而集光力則是與口徑的平方成正比。例如一個口徑兩米的望遠鏡,相比其他條件都相同,但口徑只有一米的望遠鏡,其極限解析力就會高兩倍,集光力則會高四倍。說到這裡相信大家應該就能明白,為什麼天文望遠鏡基本上就是「口徑越大越好」了。

口徑長達 6.5 公尺,這樣塞得進火箭嗎?

既然大口徑這麼棒,那韋伯作為最新的旗艦太空望遠鏡,直上太空望遠鏡史上最大口徑,似乎是再合理不過的事了!

韋伯望遠鏡的口徑是 6.5 公尺,比起前輩哈伯太空望遠鏡的 2.4 公尺大超過 2.5 倍。當初哈伯望遠鏡的鏡片口徑之所以會設計成 2.4 公尺,一大原因是如果口徑再更大,就塞不進太空梭的貨艙了。那麼問題來了,韋伯太空望遠鏡的口徑大小能一次升級那麼多,難道是因為發射韋伯的火箭,比起當時的太空梭還要大很多嗎?

哈伯望遠鏡與韋伯望遠鏡主鏡大小比較。圖/NASA

答案是否定的。事實上,世界上目前沒有任何一款火箭,能夠裝下一面直徑 6.5 公尺的鏡片!而且若是要為了發射韋伯而專門設計一款新火箭,那計畫的預算和進度一定會大大提升和延後,完全得不償失。不過,山不轉路轉,路不轉人轉,也許火箭不可能為了望遠鏡改變,但我們也許可以換個角度想,讓望遠鏡適應火箭呀!

想像一下,如果你有一筆錢,想要買輛腳踏車,讓你未來可以開車帶著腳踏車出遊,卻發現自己車子的後車廂裝不下一般的腳踏車時,你會怎麼辦呢?相信這時後,比起直接購買一台新的大車,選擇折疊式腳踏車會是更合理的選項。而設計 JWST 的工程師們也是採取這樣的策略,將整部韋伯望遠鏡設計成「折疊式」的,從主鏡、次鏡支架到遮陽帆等等機構,都可以收起來降低體積,讓韋伯望遠鏡能夠塞進空間相當有限的火箭整流罩中,並於發射到太空之後,再一步步自動展開成可以運作的狀態。

圖: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

韋伯望遠鏡的特殊設計

韋伯望遠鏡最明顯的特徵,就是由 18 面六邊形金色鏡片所組合而成,直徑 6.5 公尺的巨大主反射鏡。與哈伯望遠鏡不同的是,它並沒有鏡筒的構造,而是直接將望遠鏡的主鏡與次鏡露在外面,以支架的方式維持結構。而這樣的設計其實在地球上的大型天文台相當常見。

在無塵室中的韋伯望遠鏡主鏡,此時次鏡是摺疊的狀態。圖/NASA

來自宇宙中天體的光線會透過主鏡與次鏡反射,進入主鏡位於中央的黑色錐狀構造。這個構造中設有一些鏡片組,會進一步將光線導至後方的相機和光譜儀。韋伯望遠鏡設有多個不同的相機與光譜儀,並各自有適合的觀測目標,提供各領域的天文學家重要的研究資料。

而巨大的主鏡下方,一層一層的銀色 「帆布」則是韋伯望遠鏡的遮陽帆。它能夠為望遠鏡擋下來自太陽、地球與月球的光線與熱輻射,讓望遠鏡能夠處在既黑暗又低溫的優良觀測環境中。

根據科學家的估算,當韋伯望遠鏡在太空中運作時,它的遮陽帆的面光側溫度可達到約攝氏 110 度,但望遠鏡所處在的背光面,則能維持攝氏零下 210 度左右的低溫。溫度越低,觀測儀器所受到的熱雜訊影響就越少。這樣低溫的環境,對紅外線望遠鏡至關重要。

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

遮陽帆的背光側提供了望遠鏡與相機所需,黑暗又低溫的運作環境,但並不是所有的設備都需要這樣的條件。比如提供電力的太陽能板,就需要的是充足的陽光才能運作。同時,也有一些設備是本身就會發熱的,例如維持軌道穩定用的小型火箭引擎與燃料,控制望遠鏡指向的反應輪等等。這些設備也都設置於遮陽帆的面光側,如此一來遮陽帆也能順便隔絕這些設備產生的熱,避免干擾望遠鏡的觀測。韋伯望遠鏡上不同設備的配置位置可說各取所需,相當有巧思。

韋伯望遠鏡的面光側,設有太陽能板、通訊天線、火箭引擎等等設備。圖/ NASA

如本系列文章上集:《為何 NASA 不惜大撒幣也要把它送上太空?》所介紹,將紅外線望遠鏡送上太空能帶來許多的好處與研究潛力,然而設計並打造出這樣的科學儀器絕非容易的事。詹姆士.韋伯太空望遠鏡可說就是集結了頂尖科學、工程與技術,以及許多人共同努力的結晶,也期待將來它能帶來豐碩的觀測資料與成果。

延伸閱讀

參考資料

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太空任務的人性啟發
蔡 志浩
・2011/01/09 ・3116字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 522 ・七年級

從地球出發:NASA 任務 50 年》是探索頻道於 2008 年播出的一系列六集紀錄片,從人性而非科技的觀點回顧美國國家太空總署(NASA) 1958 年成立五十年來載人太空任務的歷史。當初電視播出時我曾寫下心得:〈當我們離開地球〉。最近買了這套紀錄片的 DVD,利用 2011 年元旦假期從頭到尾重新看了一次。本文彙整了這次觀看時記錄下來的印象深刻的片段。

一、先鋒英雄(Ordinary Supermen)

1959 至 1963 年間的水星(Mercury)計畫目標是送人上太空。1961 年 5 月 5 日,NASA 準備將搭載太空人 Alan Shepard 的自由七號(Freedom 7)發射升空。發射前出現不少技術問題,拖了數小時仍未解決。控制中心沒人敢作決定,因為之前從未把人放在由飛彈改造的火箭頂端發射過。最後由在太空船中等到受不了的 Alan Shepard 作了決定:就發射吧。資深太空記者 Jay Barbree 回憶,Shepard 在引擎點火前一刻只對自己說了一句禱詞:

「別搞砸了(Don’t fuck this up)。」

二、漫步太空(Friends and Rivals)

1962 年 9 月 12 日,美國總統甘迺迪在演說中宣示將在六零年代結束前登陸月球。他說,「不是因為容易,而是因為困難。」當時 NASA 才剛開始學習如何將人送上地球軌道,很多人覺得這是個傲慢的宣示。參與為登月任務而展開的雙子星(Gemini)與阿波羅(Apollo)計畫、也是最後一位登月的太空人 Gene Cernan 回憶當年計畫成員之間激烈的競爭與緊密的合作時說:

「要做到我們做到的那些事,你必須有一點傲慢。」

三、老鷹號登月(Landing the Eagle)

1967 年 1 月 21 日,阿波羅一號(Apollo 1)任務在地面進行模擬時不幸發生意外,三名太空人死於著火的太空艙內。這是美國第一次有人員在太空任務中罹難。阿波羅計畫太空人 Gene Cernan 回憶:

「阿波羅一號也許是一個催化劑,讓我們重拾心情重新出發。從此以後我們不再只是把任務完成,而是把任務正確地完成。」

1968 年 12 月的阿波羅八號(Apollo 8)任務是人類第一次離開地球軌道,也是人類第一次進入月球軌道。任務指揮官 Frank Boreman 的妻子 Susan Boreman 回憶:

「每次飛行都像是一個大型的家庭宴會,所有的妻子與丈夫、所有的人都來了。」

阿波羅八號任務太空人Bill Anders 回憶他在月球背面看著遠方的地球從月球的地平線升起(Earthrise)時的感觸:

「很諷刺。我們大老遠飛來研究月球,卻發現了地球。」

四、太空前哨站(The Explorers)

1969 年 11 月的阿波羅十二號(Apollo 12)任務太空人 Alan Bean 回憶阿波羅十三號(Apollo 13)的意外時說:

「你是一個太空人,你就得接受大量的風險。如果你不能接受風險,別當太空人。」

1973 年 5 月,美國發射第一個太空站天空實驗室(Skylab)。進入地球軌道後,太空站被發現嚴重受損。NASA 進行了數次把太空人送上軌道修復太空站的任務,終於恢復太空站的運作。退休的任務指揮官 Gene Kranz 回憶:

「太空基本上測試的是我們的生存能力;我們使用非常有限的資源發明新事物的能力。你必須使用每一樣東西,而且必須儘可能用最有效率與效能的方式使用它們。」

五、太空梭起落(The Shuttle)

1981 年 4 月 12 日,NASA 進行第一次太空梭任務(STS-1)。以往的太空計畫都會先進行無人任務再進行載人任務,太空梭第一次進入軌道就載了人。因為風險極高,哥倫比亞號(Columbia)太空梭只搭載兩名組員,John Young 與 Robert Crippen。資深太空記者 Jay Barbree 回憶:

「太空梭的一切都得在第一次任務就開始運作。這是之前沒有過的事。而這兩個〔不怕死的〕白痴就這樣搭上這艘太空船。」

第一次太空梭任務的指揮官 John Young 回憶當時的心情,謙卑地描述這件要極大勇氣才能做到的事:

「我不知道任務是否危險。我們不夠聰明,無法得知它是否危險。」

1983 年 4 月 4 日,挑戰者號(Challenger)太空梭在升空 73 秒後爆炸解體,七名組員全部罹難。美國總統雷根發表如下聲明:

「我們永遠不會忘記他們,更不會忘記今天早晨,我們最後一次見到他們。他們正準備展開他們的旅程,揮別地球,去觸摸上帝的臉頰。」

哈柏(Hubble)太空望遠鏡在 1990 年由太空梭送上地球軌道,開始運作後地面的科學家卻發現哈伯的鏡片規格有誤,以致無法對焦。1993 年負責執行維修任務的太空人之一,Jeff Hoffman,回憶他當初得知哈柏出問題時的感覺:

「怎麼可能發生這種事?我的意思是,難道你們這些傢伙不知道怎麼建造望遠鏡?」

六、定居外太空(A Home in Space)

發現哈柏太空望遠鏡出問題後, NASA 在 1993 年派了一組太空人升空修復哈柏。密集的太空漫步完成後,哈柏終於能夠正常運作。當時的任務科學家 Ed Weiler 回憶他對這問題百出的太空望遠鏡終於沒問題的感覺:

「我的感覺就像,『這不可能。我一定在做夢。沒有東西出錯。這不可能是哈柏。』」

成功完成維修哈柏的複雜任務後,美國與俄羅斯開始聯手打造國際太空站(International Space Station)。俄羅斯經營太空站的經驗比美國多,因此 NASA 派人赴俄羅斯學習。太空梭飛行員 David Wolf 回憶上課時的情景:

「我會看著桌子另一頭的同學,通常是俄羅斯空軍的飛行員。才不過幾年以前,我們接受的訓練還是把彼此從空中打下來。」

2003 年 2 月 1 日,哥倫比亞號太空梭完成任務後重返大氣層時發生意外,七名組員全部罹難。太空梭任務整整暫停了兩年半。2005 年 7 月 26 日, NASA 在哥倫比亞號意外之後第一次發射太空梭。發現號(Discovery)太空梭的指揮官 Eileen Collins 回憶她當時的感覺:

「我們為了國家而飛。我們為了人性而飛。我們為了探索而飛。我們為了許多理由而飛。而我們不會因為意外就停止飛行。」

在第六集的片尾,1972 年最後一位登陸月球的太空人 Gene Cernan 說:

「好奇心是人類存在的本質,長久以來探索就是人類的一部分。太空探索,就像對人生的探索一樣,只要你去嘗試,就是有風險的。我們必須願意去接受那樣的風險。」

而退休的任務指揮官 Gene Kranz 說:

「我們必須繼續向前。在太空中,停下來就是投降。」

延伸閱讀:2010 太空漫遊(二):月球及無垠蒼穹2010 太空漫遊(一):從地球出發我的太空夢當我們離開地球

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本文作者為蔡志浩,原發表於個人部落格Taiwan 2.0

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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)
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・2021/10/21 ・4876字 ・閱讀時間約 10 分鐘
  • 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?

背景圖片/illustris simulation。製圖/林彥興

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)。

哈伯深空影像。圖/Robert Williams (NASA, ESA, STScI)

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。

JWST 將幫助天文學家揭密宇宙早期演化的過程,包括宇宙的再游離(Reionization)以及第一批恆星與星系的形成等。圖/STScI

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。

宇宙學模擬團隊 THESAN 所進行的宇宙再游離模擬。可以看到星系們像吹泡泡一樣把中性的氫轉變成游離態。影/THESAN Simulations
天文學家模擬韋伯和哈伯以近紅外波段的觀測類星體(Quasar)與其宿主星系(Host galaxy)的效果。可以看到在近紅外波段,韋伯的解析度明顯勝於哈伯,讓天文學家可以清楚的將類星體與其宿主星系區分開來,以利進一步研究。圖/M. Marshall (University of Melbourne)

恆星搖籃:看穿恆星形成區

初生恆星所發射的噴流 HH 212。圖/ESO/M. McCaughrean

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。

STARFORGE 團隊的天文學家借由超級電腦模擬恆星形成的過程。影/STARFORGE Simulation

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。

哈伯太空望遠鏡利用可見光與近紅外線拍攝的創生之柱(Pillars of Creation)。可以看到利用紅外線觀測時,望遠鏡能夠更好地看穿厚重的星際雲氣。圖/NASA, ESA, and the Hubble Heritage Team (STScI/AURA)

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。

ALMA 在遠紅外線/次毫米波波段拍攝的多個原行星盤(protoplanetary disk)影像。它們是恆星旁殘留的塵埃與雲氣,且被認為是系外行星誕生的搖籃。JWST 將以中紅外線對這類天體進行更多的觀測。圖/ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), S. Andrews et al.; NRAO/AUI/NSF, S. Dagnello
中紅外波段存在許多重要的分子的發射譜線,如甲烷(Methane)、氨(Ammonia)、乙炔(Acetylene)等等,這些了解這些分子的分布與含量,能幫助天文學家了解行星的形成時原行星盤的環境,以進一步了解行星的形成機制。圖/NASA, ESA, CSA, Leah Hustak (STScI)

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!

影/acapellascience

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。

NASA 的 Kepler 與 TESS 望遠鏡是專司以「凌日法」搜尋系外行星的獵手。目前已知大半的系外行星都是由它們兩個發現。但是他們的觀測能夠提供的資訊相對有限。圖/NASA/JPL-Caltech

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。

藝術家對 Kepler-1649c 行星的想像圖。圖/NASA

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

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
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