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）

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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。

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。

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。」

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。

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。

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）。

• 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）。

• 旗艦太空望遠鏡：羅曼太空望遠鏡（RST）。

• 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！

• 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。

• 延伸閱讀：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）
• 延伸閱讀：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）
• 延伸閱讀：太空巨獸 JWST 升空後的 150 萬里長征 —— 認識韋伯太空望遠鏡（三）

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。

• 延伸閱讀：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）
• 延伸閱讀：順利升空只是開始！韋伯太空望遠鏡升空後「必須完美」的 29 天旅程

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、恆星的生命循環與系外行星。

1. 早期宇宙—— 星系團 SMACS 0723 與重力透鏡效應

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。

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。

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。

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。

• 延伸閱讀：宇宙「新」光──新星、超新星與千級新星

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。

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。

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。

• 延伸閱讀：用黑白相機拍出色彩繽紛的宇宙

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！