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）

• 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。

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？

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。

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。

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。

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。

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

• 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）
• 太空巨獸 JWST 升空後的 150 萬里長征 —— 認識韋伯太空望遠鏡（三）
• 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）
• 深度認識 JWST 的各項儀器與結構設備
  Instruments and ISIM (Integrated Science Instrument Module) Webb/NASA

參考資料

• James Webb Space Telescope – Webb
• JWST Telescope