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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)

EASY天文地科小站_96
・2021/10/02 ・2024字 ・閱讀時間約 4 分鐘
  • 作者/邵思齊/台大地質科學系,沉迷於世界的浩瀚之中
  • 作者/林彥興/清大理學院學士班,努力在陰溝中仰望繁星

經過二十年的等待,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。作為哈伯的接班人,背負著全世界期望與壓力的韋伯究竟有何特別之處?它將帶給我們什麼樣的新奇發現?又為什麼一再擴增預算與延後發射呢?

本系列文章,將會從觀測波段的選擇、到鏡組結構的設計、軌道的放置,深入探索處處充滿精彩故事的韋伯太空望遠鏡。

以紅外線仰望星空,究竟會看到甚麼?

科學研究仰賴著理論與實驗的並行。而在天文學中,由於我們難以在實驗室中複製出天文等級的環境,因此天文學家往往以「觀測」取代「實驗」,藉由望遠鏡仰望星空,來探索宇宙的奧秘。而 1960 年代開始有了太空望遠鏡之後,更是讓觀測資料的品質有大幅度的提升。

除了大家耳熟能詳、長壽的哈伯望遠鏡之外,其實已有數十台各式各樣的太空望遠鏡曾被發射到軌道上。這些太空望遠鏡的觀測波段跨了非常大的範圍,從伽瑪射線、X 光、紫外線、可見光、紅外線、微波到無線電波都有。而一台望遠鏡的觀測波段,很大一部分決定了它能看到什麼樣的東西,以及研究什麼現象。

JWST 的主要科學目標有三,分別是「系外行星」、「早期宇宙/星系演化」以及「恆星形成」。圖/The Space Telescope Science Institute (CC BY 2.0)

宇宙中,不同的物體、事件會釋放出不同能量的電磁波,而我們肉眼所能看到的可見光,只是所有電磁波的一小部分。波長越短的電磁波(例如紫外線、X 射線、伽瑪射線)所夾帶的能量越高;波長越長的電磁波(例如紅外線、微波、無線電波)所夾帶的能量則越低。一般而言,越高溫、高能量的天體,可以放出越高能量的電磁波。

比如溫度約在數千到上萬度的恆星,就主要放出可見光;低溫的物體,例如人體、塵埃以及系外行星,放出的輻射就以紅外線為主。而且因為波長較長,紅外線可以穿透一些可見光無法穿透的物質,讓天文學家看穿濃厚雲氣背後的目標。最後,利用紅外線,天文學家可以觀測到宇宙最早期的一批星系,對了解宇宙的演化歷史相當重要。

為什麼要把望遠鏡送上太空?

然而,觀測紅外線波段也有相應的缺點。

地面紅外線觀測最大的問題在於,大氣中的水氣會吸收紅外線,使得來自太空的紅外線來不及進入望遠鏡中,就被半路攔截,而且紅外線的波長越長,受到的吸收就越嚴重。因此,想在地面上進行紅外線觀測,就必須選擇乾燥的高山高原,才能達到較好的觀測效果,對環境的要求非常嚴苛。而且這僅適用於近紅外線(波長比較短的紅外線),對於波長數十至上百微米的遠紅外線,大氣層就幾乎是完全不透明的。

但是少了遠紅外線這個波段,天文學家就很難對宇宙中的塵埃、早期星系、系外行星等令人興奮的領域有進一步的了解。因此,即使用火箭發射東西上太空非常昂貴、即使要應付維修的不便與酬載的限制,科學家還是希望能把望遠鏡送上太空。於是,一個運行在外太空的大型紅外線望遠鏡的構想漸漸成形。

大氣層對不同波段的電磁波有不同的吸收率,那些大氣幾乎不吸收,可以從地面觀測宇宙的波段,就被稱為大氣窗口(atmospheric window)。圖/NASA 

一波三折!韋伯太空望遠鏡預計 12/18 升空

美國太空總署(NASA)最早在 1996 年開始了一個名為「新世代太空望遠鏡」的計畫,預計將這隻望遠鏡作為哈伯的接班人,在哈伯運作 10 至 15 年退役後頂替它成為 NASA 的下一個旗艦級太空望遠鏡。2002 年,為了紀念領導阿波羅登月計畫的第二任署長詹姆士.韋伯,這支望遠鏡於是以他的名字命名,並預計要在 2011 年時發射。然而因為技術及預算問題,計畫一度差點腰斬,後來 NASA 將整個計劃大幅整頓,並將預定發射時間一路延到 2018 年(見延伸閱讀二)。

但事情依舊不如想像中的順利,2017 年 JWST 再度遭遇測試狀況不佳,2020 年又遇到肆虐全球的 COVID-19 疫情,使得 JWST 的發射時程持續推遲,從 2018 延到了 2019,又到 2020、2021,最終定檔為逼近年底的 2021 年 12 月 18 日。目前(截自2021/9/26日),JWST 已經被打包好,正由貨船運送至法屬圭亞那發射場,準備裝載在歐洲太空總署提供的亞利安五號火箭(Ariane 5)之上。希望這次,JWST 可以順利如期出航。

苦等良久,期待 JWST 發射順利。圖/Northrop Grumman (CC BY 2.0)

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
  2. The James Webb Telescope is delayed again. Here’s why. (inverse.com)

參考資料

NASA,〈James Webb Space Telescope

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EASY天文地科小站_96
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解析「福衛七號」的觀測原理——它發射升空後,如何讓天氣預報更準確?

科技大觀園_96
・2021/10/25 ・2915字 ・閱讀時間約 6 分鐘

2019 年 6 月 25 日,福爾摩沙衛星七號(簡稱福衛七號)在國人的引頸期盼下升空。一年多來(編按:以原文文章發佈時間計算),儘管衛星還沒有全部轉換到預定的軌道,但已經回傳許多資料,這些資料對於天氣預報的精進,帶來很大的助益。中央大學大氣系特聘教授黃清勇及團隊成員楊舒芝教授、陳舒雅博士最近的研究主題,就是福衛七號傳回的資料,對天氣預報能有哪些改善。

掩星觀測的原理

要介紹福衛七號帶來的貢獻,得先從它的上一代──福衛三號說起。福衛三號包含了 6 顆氣象衛星,軌道高度 700~800 公里,以 72 度的傾角繞著地球運轉(繞行軌道與赤道夾角為 72 度)。這些衛星提供氣象資訊的方式,是接收更高軌道(約 20,200 公里)的 GPS 衛星所放出的電波,這些電波在行進到氣象衛星的路程中,會從太空進入大氣,並產生偏折,再由氣象衛星接收。換句話說,氣象衛星接收到的電波並不是走直線傳遞來的,而是因為大氣的折射,產生了偏折,藉由偏折角可推得大氣資訊。

▲低軌道衛星(如福衛三號)持續接收 GPS 衛星訊號,直到接收不到為止,整個過程會轉換成一次掩星事件,讓科學家取得大氣溫濕度垂直分佈。圖/黃清勇教授提供

氣象衛星會一邊移動,一邊持續接收電波,直到接收不到為止,在這段過程中,電波穿過的大氣從最高層、較稀薄的大氣,逐漸變為最底層、最接近地面的大氣,科學家能將這段過程中每一層大氣所造成的偏折角,通過計算回推出折射率,而折射率又和大氣溫度、水氣、壓力有關  ,因此可再藉由每個高度的大氣折射率,得出溫濕度垂直分布,這種觀測方式稱為「掩星觀測」。掩星觀測所得到的資料,可以納入數值預報模式,進一步做各種預報分析。 

資料同化──觀測與模式的最佳結合

在將掩星觀測資料納入數值預報模式時,必須先經過「資料同化」的過程。數值預報模式內含動力方程式,可以模擬任何一個位置的氣塊的運動,但是因為大氣環境非常複雜,模擬時不可能納入全部的動力條件,因此模擬結果不一定正確。而另一方面,掩星觀測資料提供的是真實觀測資訊,楊舒芝形容:「觀測就像拿著照相機拍照,不管什麼動力方程式,拍到什麼就是什麼。」但是,觀測的分布是不均勻的—唯有觀測過的位置,我們才會有觀測資料。

所以,我們一手擁有分布不均勻但很真實的觀測資料,另一手擁有很全面但可能不太正確的模式模擬。資料同化就是結合這兩者,找到一個最具代表性的大氣初始分析場,再以這個分析場為起點,去做後續的預報。資料同化正是楊舒芝和陳舒雅的重點工作之一。 

中央大學分別模擬 2010 年梅姬颱風和 2013 年海燕颱風的路徑,發現加入福三掩星觀測資料之後,可以降低颱風模擬路徑的誤差。圖/黃清勇教授提供

由於掩星觀測取得的資料與大氣的溫度、濕度、壓力有密切關係,因此在預報颱風、梅雨或豪大雨等與水氣量息息相關的天氣時,帶來重要的幫助。黃清勇的團隊針對福衛三號的掩星觀測資料對天氣預報的影響,做了許多模擬與研究,發現在預測颱風或氣旋生成、預報颱風路徑,以及豪大雨的降雨區域及雨量等,納入福衛三號的掩星觀測資料,都能有效提升預報的準確度。

黃清勇進一步說明,由於颱風都是在海面上生成的,而掩星觀測技術仰賴的是繞著地球運行的衛星來收集資料,相較於一般位於陸地上的觀測站,更能夠取得海上大氣資料,因此對於預測颱風的生成有很好的幫助。另一方面,這些資料也能幫助科學家掌握大氣環境,例如對於太平洋高壓的範圍抓得很準確,那麼對颱風路徑的預測自然也會更準。根據團隊的研究,加入福衛三號的掩星觀測資料,平均能將 72 小時颱風路徑預報的誤差減少約 12 公里,相當於改進了 5%。

豪大雨的預測則不只溫濕度等資訊,還需要風場資訊的協助,楊舒芝以 2008 年 6 月 16 日臺灣南部降下豪大雨的事件做為舉例,一般來說豪大雨都發生在山區,但這次的豪大雨卻集中在海岸邊,而且持續時間很久。為了找出合理的預測模式,楊舒芝探討了如何利用掩星觀測資料來修正風場。 

從 2008 年 6 月 16 日的個案發現,掩星資料有助於研究團隊掌握西南氣流的水氣分佈。上圖 CNTL 是未使用掩星資料的控制組,而 REF 和 BANGLE 皆有加入掩星資料(同化算子不一樣),有掩星資料可明顯改善模擬,更接近觀測值(Observation)。圖/黃清勇教授提供

福衛七號接棒觀測

隨著福衛三號的退休,福衛七號傳承了氣象觀測的重責大任。福衛七號也包含了 6 顆氣象衛星,不過它和福衛三號有些不同之處。

福衛三號是以高達 72 度的傾角繞著地球運轉,取得的資料點分布比較均勻,高緯度地區會比低緯度地區密集一些。相較之下,福衛七號的傾角只有 24 度,它所觀測的點集中在南北緯 50 度之間,對臺灣所在的副熱帶及熱帶地區來說,密集度更高;加上福衛七號收集的電波來源除了美國的 GPS 衛星,還增加了俄國的 GLONASS 衛星,這些因素使得在低緯度地區,福衛七號所提供的掩星觀測資料將比福衛三號多出約四倍,每天可達 4,000 筆。

福衛三號與福衛七號比較表。圖/fatcat 11 繪

另一方面,福衛七號的軟硬體比起福衛三號更加先進,可以獲得更低層的大氣資料,而因為水氣主要都集中在低層,所以福衛七號對水氣掌握會比福衛三號更具優勢。

從福衛三號到福衛七號,其實模式也在逐漸演進。早期的模式都是納入「折射率」進行同化,而折射率又是從掩星觀測資料測得的偏折角計算出來的。「偏折角」是衛星在做觀測時,最直接觀測到的數據,相較之下,折射率是計算出來的,就像加工過的產品,一定有誤差。因此,近來各國學者在做數值模擬時,愈來愈多都是直接納入偏折角,而不採用折射率。黃清勇解釋:「直接納入偏折角會增加模式計算的複雜度,也會增加運算所需的時間,而預報又是得追著時間跑的工作,因此早期才會以折射率為主。」不過現在由於電腦的運算能力與模式都已經有了進步,因此偏折角逐漸成為主流的選擇。 

由左至右依序為,楊舒芝教授、黃清勇特聘教授、陳舒雅助理研究員。圖/簡克志攝

福衛七號其實還沒有全部轉換到預定的軌道,不過這一年多來的掩星觀測資料,已經讓中央氣象局對熱帶地區的天氣預報,準確度提升了 4~10%;陳舒雅也以今年 8 月的哈格比颱風為案例,成功地利用福衛七號的掩星觀測資料,模擬出哈格比颱風的生成。

除了福衛七號,還有一顆稱為「獵風者」的實驗型衛星,預計 2022 年將會升空。獵風者的任務是接收從地表反射的 GPS 衛星電波,然後推估風速。可以想見,一旦有了獵風者的加入,我們對大氣環境的掌握度勢必更好,對於颱風等天氣現象的預報也能更加準確。就讓我們一起期待吧!

科技大觀園_96
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