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）

• 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。

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。

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。

延伸閱讀

1. 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）
2. 太空巨獸 JWST 升空後的 150 萬里長征 —— 認識韋伯太空望遠鏡（三）
3. 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）
4. 出事了哈伯！細數哈伯太空望遠鏡 31 年來的維修升級史
5. The James Webb Telescope is delayed again. Here’s why. (inverse.com)

參考資料

NASA，〈James Webb Space Telescope〉