- 作者／陳麒云｜中央太空科學與工程學系
- 作者／林彥興｜清大理學院學士班，努力在陰溝中仰望繁星
二十年磨一劍，科學家與天文迷引頸期盼的詹姆士．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。作為人類的下一支旗艦級太空望遠鏡，JWST 上配備了最尖端的科學儀器，在本系列上一篇文章：《史上最大口徑的 JWST 要如何塞進火箭？ 》中，我們詳細介紹了這些儀器與望遠鏡的鏡組機體。此篇，讓我們接續來解析，JWST 如何在一個月內，從升空，到運行至天文觀測的風水寶地 ── 拉格朗日點（Lagrangian point）。
被引力遺忘的角落
在劉慈欣所著的經典科幻小說《三體》中，三體人生活的行星圍繞著三顆質量差不多的恆星運轉。由於這三顆恆星的運動軌跡是完全不可預測的，儘管三體人擁有極為先進的數學與科學技術，卻始終無法解決這「三體問題」，導致他們的文明被無數次摧毀。
在現實中，三體問題同樣也是物理界的大哉問。其中兩位對三體問題做出重要貢獻的，就是 18 世紀的數學家歐拉（Leonhard Paul Euler）和拉格朗日（Joseph Lagrange），他們找到了「限制性三體問題」的五個特殊解：當三個天體（比如太陽、地球、太空望遠鏡）中的一體（太空望遠鏡）質量可以小至不計時，可以在空間中找到五個位置放入這個天體，使其與另外兩體的相對位置不變，以相同的週期旋轉。而這五個點，就被稱為拉格朗日點（Lagrange Point）。
由於拉格朗日點的物理特性，探測器只需要很少的燃料就可以滯留於此，這讓拉格朗日點在太空探測中有很高的價值。至今，人類已有十多架探測器到達過日-地拉格朗日點，其中包括著名的太陽和太陽圈探測器（SOHO）、威爾金森微波各向異性探測器（WMAP）等人類太空史上的重要衛星。本系列文章的主角詹姆士．韋伯望遠鏡也將跟上前輩們的腳步，前往日-地連線上的拉格朗日點 L2 執行任務。
在日地系統的 L2 上，太陽、地球、月球位於同一側，這使得 L2 上的探測器只需要想辦法擋住一側的陽光，就能達到降溫和排除光害的效果，因此 L2 成為了放置太空望遠鏡的好地方，也是韋伯望遠鏡的最好去處。
歐洲最可靠的重型運載火箭——亞利安五號
JWST 摺疊後高度超過 10 米，寬度達 4.5 公尺，更是有 6.2 噸的重量，要將如此大型的科學儀器送至地球 150 萬公里外的 L2，難度將會比發射至低地球軌道的哈伯望遠鏡高得多。而這個艱鉅的任務，將交給亞利安 5 號運載火箭（Arian 5）來完成。亞利安 5 號是歐洲太空總署開發的重型運載火箭，2009 至 2013 年環繞於 L2 軌道的赫雪爾太空望遠鏡（Herschel Space Telescope）及普朗克巡天者（Planck Space Oberservatory）正是由亞利安 5 號發射的，另外還有超過 100 次成功發射衛星至地球軌道的經驗，功勳卓越且穩定。
亞利安 5 號升空的動力由第一節火箭的火神發動機（Vulcain 2）及兩枚固態輔助火箭（Solid boosters）提供，它們將帶領火箭脫離地表。火箭的上半部則是由第二級火箭（Second stage）及酬載倉組成，另外還有整流罩包覆於第二節火箭與酬載倉外。第二級火箭的主要功能是在第一節火箭脫離後，提供繼續前進與轉向的動力；為本次任務特別製作的加大型整流罩，則可以避免火箭升空過程中，韋伯望遠鏡受到熱、震動、風壓或快速變化的氣壓影響而損壞。
2021 年 9 月初，亞利安 5 號的主要部件已經運送至法屬圭亞那發射場。包含主引擎、第二級火箭及酬載倉，並開始進行組裝與測試，固態輔助火箭等剩餘部件也會陸續到達。直至發射前一周，火箭主體完全配備完畢，才會將 JWST 裝載上酬載倉，並裝上整流罩。最後發射前夕，亞利安 5 號及韋伯望遠鏡由發射平台安裝上發射架。
一切準備就緒，只待發射場內再次響起，那代表人類進步的倒數。
Dix, Neuf, Huit, Sept, Six, Cinq, Quatre, Trois, Deux, Un, Zéro,…LAUNCH！！
發射時，兩枚固態輔助火箭和主火箭提供火箭升空的推力。兩隻輔助火箭只能提供 130 秒的動力，會最先耗盡燃料，並脫離火箭主體以減少重量。接著，當韋伯望遠鏡抵達較稀薄的高層大氣後，空氣阻力變得微乎其微，就不再需要整流罩的額外保護了。此時，整流罩將會分為兩瓣脫落，露出酬載倉裡的 JWST。
接下來，主火箭將獨自推進直到離開大氣層。發射後 9 分鐘，主火箭脫離。主火箭脫離後第二節火箭不會馬上點火，而是先帶著 JWST 繞行至大西洋上空，讓火箭在大致指向 L2 時點火，開始往目的地加速。為了避免韋伯望遠鏡因過熱而損壞，第二節火箭會一直調整方向，確保火箭一直正對太陽，最大程度上減少望遠鏡的受光量、為 JWST 抵擋一部分陽光。發射後 27 分鐘，第二節火箭脫離，並利用最後一點燃料避開韋伯望遠鏡的路徑。
自此，一路被亞利安火箭守護的韋伯望遠鏡，終於要獨自開始它的太空之旅。
詹姆士．韋伯的太空漂流之旅
要在太空中展開一個網球場大的望遠鏡，對溫度控制和機械結構的挑戰很高，所以 JWST 的展開將會非常緩慢，也非常壯觀。韋伯望遠鏡與亞利安火箭分離後，首要任務是和地面建立聯繫，太陽能板和天線會在發射後 24 小時內展開，建立韋伯在太空中定位和飛行的能力，也停止消耗電池電量，為後續各構造的展開做準備。
首先要展開的是摺疊於支架上的遮陽帆 （Sunshield） ，放下前後遮陽帆支架後，JWST 核心的伸縮塔會把鏡組抬升約 2 公尺，提供 遮陽帆完全展開的空間。接下來，左右舷的伸縮機械臂依序將左右剩餘的遮陽帆拉出。部屬遮陽帆的最後一步是拉緊薄膜，這五層厚度比頭髮還細的薄膜，各自有不同的大小和形狀，將五層薄膜分離至特定的位置才能徹底展開，發揮遮陽的作用。
遮陽帆展開後，JWST 大約會花五天的時間降溫到其最終操作溫度，在遮陽帆作用下，遮陽帆陰影中的鏡組能降溫到攝氏 -200 度以下。發射後 11天，背光面已經足夠低溫，是時候展開韋伯望遠鏡最後的展開工作 ── 鏡組展開。首先，次鏡慢慢從主鏡上方放下，並固定到位。接著，位於主鏡後方的散熱器展開，用於處理多餘的熱量，對 JWST 這種紅外線任務來說，這項功能任務至關重要，避免蒐集的訊號淹沒在熱造成的雜訊中。最後，主鏡的兩翼固定到位，完成詹姆士．韋伯望遠鏡的全部展開工作。然而展開工作完成後，韋伯望遠鏡離開始運作仍有很長的路要走。
主鏡固定到位後，JWST 要繼續在太空中漂流約兩周，才會啟動推進器，轉向進入 L2 軌道。值得一提的是，JWST 不會正好在 L2 點，而是以 6 個月為周期圍繞著 L2 運行，稱為「暈輪軌道（Halo Orbit）」。在暈輪軌道上，維持軌道所需的動力較少，這讓韋伯望遠鏡攜帶少量燃料就能在軌道上運作超過 5 年。與每隔 90 分鐘進出地球陰影的哈伯望遠鏡不同，運行於暈輪軌道能讓韋伯遠離地球的陰影，從而確保其太陽能板能持續供電，觀測也不會受到地球的遮擋。
韋伯望遠鏡進入 L2 軌道後，科學團隊將開啟長達半年的儀器調整與校正，包括 18 塊主鏡的對焦微調、四大酬載的拍攝測試等等。如果一切順利，我們有機會在明年暑假前，看到詹姆士．韋伯望遠鏡的開光照，一窺這隻太空巨獸的火力。相信屆時 NASA 能說服我們，這二十年的等待是值得的。
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