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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 ・3075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發分辨出來,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,但口徑只有一米尺望遠鏡,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
韋伯望遠鏡展開流程

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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EASY天文地科小站_96
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EASY 是由一群熱愛地科的學生於 2017 年創立的團隊,目前主要由研究生與大學生組成。我們透過創作圖文專欄、文章以及舉辦實體活動,分享天文、太空與地球科學的大小事


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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
156 篇文章 ・ 376 位粉絲
為妥善保存多年來此類科普活動產出的成果,並使一般大眾能透過網際網路分享科普資源,科技部於2007年完成「科技大觀園」科普網站的建置,並於2008年1月正式上線營運。 「科技大觀園」網站為一數位整合平台,累積了大量的科普影音、科技新知、科普文章、科普演講及各類科普活動訊息,期使科學能扎根於每個人的生活與文化中。
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