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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

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  • 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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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/11/01 ・2113字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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睽違三年,重磅回歸:獵鷹重型的現在與未來
EASY天文地科小站_96
・2022/11/04 ・2560字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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  • 文/林彥興(EASY天文地科團隊總編輯,現就讀清大天文所)

台灣時間 2022 年 11 月 2 日晚上九點四十一分,SpaceX 的「獵鷹重型 Falcon Heavy (FH)」火箭從濃霧繚繞的甘迺迪太空中心 LC-39A 發射台轟然升空。睽違三年,世人終於再次體會到世界最強火箭飛向天際,以及雙助推器同時著陸的震撼。

USSF-44 任務中獵鷹重型火箭的升空與著陸。圖/SpaceX

從獵鷹九號到獵鷹重型

相信有在關注太空時事的讀者們,對 SpaceX 的獵鷹九號火箭都不陌生。

獵鷹九號火箭。圖/SpaceX

獵鷹九號是 SpaceX 目前當仁不讓的發射主力,從低軌小衛星共乘高軌頂配同步衛星乃至星際探測器都能一手包辦,而且還擁有能夠「重複使用第一節」這舉世唯一的絕技,在大幅降低成本的同時,也讓 SpaceX 能夠以超過一週一發的超高頻率發射火箭。從 2022 年初至週二當天,獵鷹九號已經發射 49 次,佔世界總發射次數的約 35%;論發射酬載總質量,世界所有其他火箭加起來還不到獵鷹九號的一半。[1][2]

但獵鷹九號雖然優秀,面對少數特別重的酬載(也就是衛星、太空船等火箭攜帶的物體),或是要把酬載送到特別高能量的軌道時,仍然力有未逮。怎麼辦呢?基本概念很簡單:在獵鷹九號第一節兩側,再綁兩根第一節火箭,給火箭更多的燃料、更強的推力,就能把更重的酬載,送到更高更遠的地方,這就是「獵鷹重型 Falcon Heavy, FH」火箭。習慣上,人們將中間那根第一節稱為芯級(Core Stage),兩側的則稱為助推器(Side Booster)。根據任務需求,芯級和助推器可選擇不同的回收模式(陸上回收、海上回收、不回收)。在完全不回收的模式下,獵鷹重型擁有超過 60 公噸的最高理論運載力(LEO),比位列第二的三角洲四號重型火箭多了一倍不只。

發射台上的獵鷹重型火箭,可以清楚的看到並排的芯級與助推器。圖/SpaceX

風光亮相後?

獵鷹重型在 2018 年進行了一場轟轟烈烈的首飛。由於未經驗證的新火箭,一般不會有客戶願意買單承擔風險,因此火箭製造商通常會自費發射一些不太重要的東西,常稱為「假酬載 Dummy Payload」,向客戶展示火箭確實可以把你的衛星送入軌道。這個不太重要的假酬載,也給了工程師們搞怪的機會。

假酬載該選什麼好呢?
大老闆 Elon Musk:「啊,那就把我的 Tesla 跑車打上去吧。」

Falcon Heavy 首飛官方剪輯

首飛隔年(2019)四月和六月,獵鷹重型分別進行了兩次任務(福衛七號就是其中之一噢)。但在這之後,獵鷹重型彷彿就進入了休假期,長達三年都沒有發射任務。為甚麼會這樣呢?這背後的原因有非常多面相可以討論,比如獵鷹九號就已經足以應付現在市場上絕大部分的發射需求、獵鷹重型發射的酬載開發與製造進度延宕等等。篇幅有限,在此就不展開細說。但總之,對太空迷們來說,這三年真的是格外漫長。獵鷹重型還是獵鷹重型,但 2022 的世界已經跟 2019 大不相同了。

獵鷹九號(與其子型號)與獵鷹重型發射次數統計,可以看到比起馬不停蹄的獵鷹九號,獵鷹重型的發射是多麼稀少。來源:維基百科,2022.11.04 數據。

機密任務 USSF-44

回到正題,本次 USSF-44 任務的目標,是為美國太空軍發射機密軍事衛星,前往地球同步軌道。

發射直播回顧。

在上面的影片中,我們可以看到火箭發射的全過程。在轟轟烈烈地起飛後,火箭沿著預定軌道不斷加速。升空後約兩分三十秒,幾乎耗盡燃料兩根助推器率先脫離。而芯級在本次任務中則不進行回收,毫無保留地將所有燃料都用於運送衛星。約四分零三秒,芯級耗盡所有燃料並脫離,由第二節火箭負責繼續將衛星送入指定軌道。由於衛星的機密性,第二節直播就此切斷。直播聚焦於兩個助推器,如何自行返回陸上降落場,並最終成功降落。

本次任務的成功,不僅宣告著獵鷹重型的回歸,也是 SpaceX 第一次直接把衛星送進「地球同步軌道 GEO」,而非一般的「地球同步轉移軌道 GTO」(相關知識可以參考「衛星軌道萬花筒」系列圖文)。擁有將衛星直送 GEO 的能力,對火箭發射商來說意義相當重大。另一方面,雖然可憐的芯級被太空軍指定拋棄了,但兩側助推器的同框降落真的百看不厭。如果覺得這次發射霧太大景不好,不妨多看幾次 2018 首飛的剪輯吧!

還要再等三年嗎?獵鷹重型的未來

那麼,何時才能再次看到獵鷹重型轟然起飛呢?答案可能比你以為的要快。按現在的規畫,明年一月就應當要有兩場獵鷹重型的發射,分別是 ViaSat-3 與 USSF-67,都是 GEO 直送任務。但當然,這是火箭發射,再延宕個幾個月也是很正常的。

往更遠的看,未來五年獵鷹重型將發射的重要酬載包括:

  • 大型行星探測器:靈神星(Psyche,左圖)任務與歐羅巴快船(Europa clipper,右圖)。
圖/NASA/JPL-Caltech/Arizona State Univ./Space Systems Loral/Peter Rubin|N
  • 阿提密斯計畫:月球門戶建造(PPE 與 HALO 艙段)、VIPER 月球車、月球門戶補給(Dragon-XL)。
月球門戶太空站(左下)與 Dragon XL 無人貨船。圖/NASA
南希.葛莉絲.羅曼太空望遠鏡 Nancy Grace Roman Space Telescope。圖/NASA (WFIRST Project and Dominic Benford)
  • 太空軍機密衛星與同步通訊、氣象衛星若干。

相信這些名字對太空迷讀者來說都是如雷貫耳。可見獵鷹重型在美國近期多項重要太空計畫中,都是關鍵角色。接下來幾年,就讓我們拭目以待,一起見證獵鷹重型大展身手吧!

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解析韋伯太空望遠鏡第一批影像背後的科學意義
EASY天文地科小站_96
・2022/07/14 ・4350字 ・閱讀時間約 9 分鐘

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  • 作者:林彥興|EASY 天文地科小站主編、清大天文所碩士生,努力在陰溝中仰望繁星

萬眾矚目的詹姆士韋伯太空望遠鏡,在經過半年的校準與測試後,終於公開了它拍攝到的第一批成果。這些五彩斑斕、美麗絕倫的照片究竟是什麼樣的天體,照片的背後又有哪些深藏的意義?就讓我們一起深入解密,韋伯的第一批照片吧!

韋伯望遠鏡是什麼?

詹姆士.韋伯太空望遠鏡是美國、歐洲與加拿大太空總署合作開發的新一代旗艦級紅外線太空望遠鏡,也是無數天文學家夢寐以求、能幫助人類破解許多未解天文迷團的利器。

韋伯的研發其實早從 1996 年就已經開始,但是由於開發時遇到諸多困難,導致嚴重的預算超支與進度延宕,這台耗資上百億美金的超級望遠鏡,直到去年年底才終於從法屬圭亞那發射中心,用一枚亞利安 5 號運載火箭發射升空,前往距離地球 150 萬公里的日地第二拉格朗日點。

拉格朗日點是什麼?

日地拉格朗日點一共有五個。當物體在這些點上,其受到來自太陽與地球的重力恰到好處,因此太空船只需要少量的燃料,就可以長期與地球和太陽保持穩定的相對位置,可謂是地球軌道附近的風水寶地。

而韋伯繞行的,是位於地球後方的第二拉格朗日點,簡稱 L2。之所以選擇這裡,是因為只有 L2 的位置剛好會讓地球、太陽、月亮都在同一側,而這三個星體正是天文望遠鏡的主要紅外線光害來源。位在 L2 的韋伯,就可以用它的遮陽帆一次把三顆星體全部擋住,認真凝望遠方而不受干擾,因此 L2 可以說是觀測宇宙的絕佳地點。升空的幾個月之間,韋伯已經完成一系列的儀器校準工作,一步步把望遠鏡調整到最佳狀態。

相比知名前輩「哈伯太空望遠鏡」,韋伯的優勢不只是擁有比哈伯大六倍的鏡面,更重要的是它是以紅外線為主力觀測波段。宇宙膨脹造成嚴重紅移,但哈伯望遠鏡的守備範圍主要是可見光,波長範圍是 90 – 2500 奈米,可說是鞭長莫及啊。

這時換上以波長 600 – 28500 奈米的紅外線為守備範圍的韋伯,就可以讓我們看到更遙遠、更古老的宇宙。此外,同一個天體在可見光和紅外線看起來,往往長得相當不一樣。這個強大的紅外線觀測能力,正是韋伯最引以為傲的武器。

作為深具儀式感的第一批科學影像,韋伯這次公布的影像分別對應四個主要科學主題:早期宇宙星系演化恆星的生命循環系外行星

1. 早期宇宙—— 星系團 SMACS 0723 與重力透鏡效應

星系團 SMACS 0723。圖/Webb Space Telescope

畫面中心黃白色的天體,是由成百上千的星系共同組成的星系團 SMACS 0723。在韋伯之前,哈伯太空望遠鏡就曾經花費數個禮拜的時間拍攝這個星系團。然而擁有更大鏡面、更精良儀器的韋伯,僅用了 12.5 個小時就拍出了解析度更高、畫面品質更好的照片,讓我們看到許多以前難以辨識的黯淡星系。可見哈伯與韋伯在觀測能力上的差距。

對天文學家來說,圖中最令人興奮的其實不是前景壯闊的星系團,而是後方這些經過重力透鏡扭曲和放大的小小星系們。星系團龐大的質量扭曲了周圍的時空,讓整個星系團好像一塊巨大的放大鏡一樣,可以偏折和聚焦通過的星光,稱為「重力透鏡效應」。

當星系團後方更遙遠、更古老的星系發出的光線通過星系團時,就會被星系團的重力透鏡效應偏折和聚焦,形成而圖中無數弧形的扭曲影像。

紅圈為照片上受重力透鏡影響的區域之一,可以看到星系被拉長。

這些仍在襁褓中的小小星系,往往正在快速的孕育新的恆星,或是互相合併,因此有著混沌不規則的形狀。離我們越遠的星體發出的光,需要越長的時間才能到達我們的眼中。因此研究這些遙遠且古老的星系,能幫助天文學家理解宇宙早期的模樣。

2. 星系演化——史蒂芬五重奏(Stephan’s Quintet)

上一張照片讓我們認識星系的起源,這張「史蒂芬五重奏(Stephan’s Quintet)」則可以讓天文學家更仔細地研究星系內的複雜結構,以及星系與星系之間的交互作用。

史蒂芬五重奏(Stephan’s Quintet)。圖/Webb Scape Telescope

正如其名,「史蒂芬五重奏(Stephan’s Quintet)」是由五個視覺上相當靠近的星系所組成。但其實最左邊的這個星系(NGC7320)與另外四者並無關聯,只是從地球上看剛好位在天空中差不多的位置而已。

圖片中偏向黃白色,感覺如絲綢般順滑的部分是在近紅外線波段拍攝,主要顯示的是星系中恆星的分布;而醒目的橘紅色,則是來自中紅外波段的資料,展示的是星系中的高溫塵埃,以及星系中的氣體高速對撞時產生的震波(Shock wave)。

除了影像,韋伯還使用光譜儀仔細檢視了影像中右上方的星系(NGC 7319)中心,因為那裏有一顆比太陽重 2400 萬倍的超大質量黑洞,正在吸食周遭的氣體,並在過程中釋放巨大的能量。

藉由觀察光譜的細節,韋伯可以分辨出像是氬離子、氖離子或是氫分子等等化學組成,甚至知道氣體的溫度、運動速度這些從一般照片難以辨識的資訊。

史蒂芬五重奏就像一個天然的實驗場,讓天文學家研究星系演化的詳細過程。

3. 系外行星——WASP-96 b 的大氣光譜

這一張照片可能是整批影像中,視覺上最不起眼的一張,它是系外行星 WASP-96 b 的大氣光譜。

WASP-96 b 的大氣光譜。圖/Webb Scape Telescope

最近 20 多年來,人類對太陽系以外行星的認識越來越多。截至今日,人類已經發現超過 5000 顆系外行星。然而,以現有的觀測技術,天文學家通常只能用一些間接的方法,測量它們的質量、半徑、軌道週期等粗略的特性。想知道這個行星是否適合生命生存,就不能少了行星大氣層的化學組成和溫度資訊。

那要怎麼取得行星的大氣資訊呢?當行星通過恆星跟地球中間時,恆星的一部分星光將會通過行星的大氣層,並被行星的大氣吸收。吸收的多寡和波段,取決於行星大氣層的溫度和化學組成等特性。此時,天文學家就可以藉由分析光譜中的各種特徵,去回推行星大氣層的性質。

圖片中的白點,即是韋伯實際觀測 WASP-96 b 時取得的光譜資訊。而藍色的線,則是天文學家認為最貼合觀測數據的理論模型。

根據這個觀測結果,天文學家計算出 WASP-96 b 的大氣溫度約為 725°C,大氣中明顯有著水氣,並推測可能還有雲和霾存在。未來進一步的分析和觀測,將為世人揭開更多系外行星的神祕面紗。

4. 恆星的生命循環——「南環狀星雲」與「船底座大星雲(Carina)」

最後兩張照片都與恆星的生命循環有關。正如人會有生老病死,恆星也是一樣。

恆星一般誕生在巨大分子雲中,氣體在重力吸引下逐漸塌縮、升溫並點燃核融合,成為一顆恆星。

當小質量的恆星步入晚年,其結構容易變得不穩定,最終將自己的外層氣體拋射出去,形成美麗的行星狀星雲,也將氣體吐回到星際空間中,成為下一代恆星的養分。氣體都拋射完之後留下的核心,就是白矮星。

各位現在看到的,是暱稱「南環狀星雲」的行星狀星雲,左右兩張圖分別於近紅外線與中紅外線拍攝。

南環狀星雲。圖/Webb Scape Telescope

我們可以看到,左圖中的影像比右圖要更清晰一些,這是因為在相同的望遠鏡口徑下,波長越短所能達到的理論解析度就越高。

有趣的是,在左圖中看起來位於星雲中心的明亮恆星,其實並不是行星狀星雲的核心。真正的核心其實是在其左下方,一顆被塵埃包裹著的黯淡白矮星。在近紅外線波段的影像中,這顆白矮星幾乎淹沒在隔壁恆星的炙烈星芒之中。

但在中紅外波段,由於恆星的亮度相對降低,包裹著白矮星的塵埃發出的光就變得清晰可見。再次展示即使是同一個天體,使用不同的波段進行觀測,往往可以看到不同的東西。

最後這片壯麗的宇宙山崖,則是位於「船底座大星雲 Carina」西北角的 NGC3324 恆星形成區。在這裡,源自星雲中無數初生恆星所發出的炙烈輻射、恆星風與噴流,吹散、游離了星雲中原有的濃密氣體與塵埃。交織出這片壯闊而複雜的結構。

船底座大星雲(Carina)。圖/Webb Scape Telescope

這張照片一共結合了這六個不同的濾鏡的影像拍攝而成。每個濾鏡涵蓋的波段各不相同,代表的物理意義也不一樣。比如(F090W、F200W、F444W)這三個寬帶濾鏡,分別在影像中按照波長順序,以藍色、綠色和紅色這三原色呈現,為照片打下骨幹。而在此之上,照片的製作團隊又疊上青色代表氫原子的(F187N)濾鏡影像,以黃色代表氫分子的(F470N)濾鏡影像,以及用橘色代表甲烷和多環芳香烴的 (F335M) 濾鏡影像,為照片再添更多的細節。

想要將這麼多個波段的影像全部結合起來,仔細調整讓細節更加突出,最終呈現出一張如此絢麗又震撼的照片,是非常不容易的。這展示了韋伯太空望遠鏡不僅在科學上相當重要,在藝術上也價值非凡。

最後別忘了,以上只挑選介紹了第一批資料中最具代表性的幾張,更多關於五個目標的照片和光譜,可以在韋伯的官網上找到。而這批照片,又只是韋伯未來二十年服役生涯中,前兩個月的小試牛刀而已。韋伯的時代,才剛剛要開始!

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