韋伯太空望遠鏡對人眼健康有益

• 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

• James Webb Space Telescope – Webb
• JWST Telescope

本文與 威力暘電子 合作，泛科學企劃執行。

想像一下，當你每天啟動汽車時，啟動的不再只是一台車，而是一百台電腦同步運作。但如果這些「電腦」突然集體當機，後果會有多嚴重？方向盤可能瞬間失靈，安全氣囊無法啟動，整台車就像失控的高科技廢鐵。這樣的「系統崩潰」風險並非誇張劇情，而是真實存在於你我日常的駕駛過程中。

今天，我們將深入探討汽車電子系統「逆天改運」的科學奧秘。究竟，汽車的「大腦」—電子控制單元（ECU），是如何從單一功能，暴增至上百個獨立系統？而全球頂尖的工程師們，又為何正傾盡全力，試圖將這些複雜的系統「砍掉重練」、整合優化？

第一顆「汽車大腦」的誕生

時間回到 1980 年代，當時的汽車工程師們面臨一項重要任務：如何把汽油引擎的每一滴燃油都壓榨出最大動力？「省油即省錢」是放諸四海皆準的道理。他們發現，關鍵其實潛藏在一個微小到幾乎難以察覺的瞬間：火星塞的點火時機，也就是「點火正時」。

如果能把點火的精準度控制在「兩毫秒」以內，這大約是你眨眼時間的百分之一到千分之一！引擎效率就能提升整整一成！這不僅意味著車子開起來更順暢，還能直接省下一成的油耗。那麼，要如何跨過這道門檻？答案就是：「電腦」的加入！

工程師們引入了「微控制器」（Microcontroller），你可以把它想像成一顆專注於特定任務的迷你電腦晶片。它能即時讀取引擎轉速、進氣壓力、油門深度、甚至異常爆震等各種感測器的訊號。透過內建的演算法，在千分之一秒、甚至微秒等級的時間內，精準計算出最佳的點火角度，並立刻執行。

從此，引擎的性能表現大躍進，油耗也更漂亮。這正是汽車電子控制單元（ECU）的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」（Engine Control Unit）。

ECU 的失控暴增與甜蜜的負荷

第一顆 ECU 的成功，在 1980 年代後期點燃了工程師們的想像：「這 ECU 這麼好用，其他地方是不是也能用？」於是，ECU 的應用範圍不再僅限於點火，燃油噴射量、怠速穩定性、變速箱換檔平順度、ABS 防鎖死煞車，甚至安全氣囊的引爆時機……各種功能都交給專屬的 ECU 負責 。

然而，問題來了：這麼多「小電腦」，它們之間該如何有效溝通？

為了解決這個問題，1986 年，德國的博世（Bosch）公司推出了一項劃時代的發明：控制器區域網路（CAN Bus）。你可以將它想像成一條專為 ECU 打造的「神經網路」。各個 ECU 只需連接到這條共用的線路上，就能將訊息「廣播」給其他單元。

更重要的是，CAN Bus 還具備「優先通行」機制。例如，煞車指令或安全氣囊引爆訊號這類攸關人命的重要訊息，絕對能搶先通過，避免因資訊堵塞而延誤。儘管 CAN Bus 解決了 ECU 之間的溝通問題，但每顆 ECU 依然需要獨立的電源線、接地線，並連接各種感測器和致動器。結果就是，一輛汽車的電線總長度可能達到 2 到 4 公里，總重量更高達 50 到 60 公斤，等同於憑空多載了一位乘客的重量。

另一方面，大量的 ECU 與錯綜複雜的線路，也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。更別提這些密密麻麻的線束，簡直是設計師和維修技師的惡夢。要檢修這些電子故障，無疑讓人一個頭兩個大。

汽車電子革命：從「百腦亂舞」到集中治理

到了2010年代，汽車電子架構迎來一場大改革，「分區架構（Zonal Architecture）」搭配「中央高效能運算（HPC）」逐漸成為主流。簡單來說，這就像在車內建立「地方政府＋中央政府」的管理系統。

可以想像，整輛車被劃分為幾個大型區域，像是車頭、車尾、車身兩側與駕駛艙，就像數個「大都會」。每個區域控制單元（ZCU）就像「市政府」，負責收集該區所有的感測器訊號、初步處理與整合，並直接驅動該區的馬達、燈光等致動器。區域先自理，就不必大小事都等中央拍板。

而「中央政府」則由車用高效能運算平台（HPC）擔任，統籌負責更複雜的運算任務，例如先進駕駛輔助系統（ADAS）所需的環境感知、物體辨識，或是車載娛樂系統、導航功能，甚至是未來自動駕駛的決策，通通交由車輛正中央的這顆「超級大腦」執行。

乘著這波汽車電子架構的轉型浪潮中， 2008 年成立的台灣本土企業威力暘電子，便精準地切入了這個趨勢，致力於開發整合 ECU 與區域控制器（Domain Controller）功能的模組化平台。他們專精於開發電子排檔、多功能方向盤等各式汽車電子控制模組。為了確保各部件之間的溝通順暢，威力暘提供的解決方案，就像是將好幾個「分區管理員」的職責，甚至一部分「超級大腦」的功能，都整合到一個更強大的硬體平台上。

這些模組不僅擁有強大的晶片運算能力，可同時支援 ADAS 與車載娛樂，還能兼容多種通訊協定，大幅簡化車內網路架構。如此一來，車廠在追求輕量化和高效率的同時，也能顧及穩定性與安全性。

萬無一失的「汽車大腦」：威力暘的四大策略

然而，「做出來」與「做好」之間，還是有差別。要如何確保這顆集結所有功能的「汽車大腦」不出錯？具體來說，威力暘電子憑藉以下四大策略，築起其產品的可靠性與安全性：

1. AUTOSAR ： 導入開放且標準化的汽車軟體架構 AUTOSAR。分為應用層、運行環境層（RTE）和基礎軟體層（BSW）。就像在玩「樂高積木」，ECU 開發者能靈活組合模組，專注在核心功能開發，從根本上提升軟體的穩定性和可靠性。
   
2. V-Model 開發流程：這是一種強調嚴謹、能在早期發現錯誤的軟體開發流程。就像打勾 V 字形般，左側從上而下逐步執行，右側則由下而上層層檢驗，確保每個階段的安全要求都確實落實。
   
3. 基於模型的設計 MBD（Model-Based Design）： 威力暘的工程師們會利用 MatLab®/Simulink® 等工具，把整個 ECU 要控制的系統(如煞車)，用數學模型搭建起來，然後在虛擬環境中進行大量的模擬和測試。這等於在實體 ECU 誕生前，就能在「數位雙生」世界中反覆演練、預先排除設計缺陷，，並驗證安全機制是否有效。
   
4. Automotive SPICE (ASPICE) ： ASPICE 是國際公認的汽車軟體「品質管理系統」，它不直接評估最終 ECU 產品本身的安全性，而是深入檢視團隊在軟體開發的「整個過程」，也就是「方法論」和「管理紀律」是否夠成熟、夠系統化，並只根據數據來評估品質。

既然 ECU 掌管了整輛車的運作，其能否正常運作，自然被視為最優先項目。為此，威力暘嚴格遵循汽車業中一本堪稱「安全聖經」的國際標準：ISO 26262。這套國際標準可視為一本針對汽車電子電氣系統（特別是 ECU）的「超嚴格品管手冊」和「開發流程指南」，從概念、設計、測試到生產和報廢，都詳細規範了每個安全要求和驗證方法，唯一目標就是把任何潛在風險降到最低

有了上述這四項策略，威力暘確保其產品從設計、生產到交付都符合嚴苛的安全標準，才能通過 ISO 26262 的嚴格檢驗。

然而，ECU 的演進並未就此停下腳步。當ECU 的數量開始精簡，「大腦」變得更集中、更強大後，汽車產業又迎來了新一波革命：「軟體定義汽車」（Software-Defined Vehicle, SDV）。

軟體定義汽車 SDV：你的愛車也能「升級」！

未來的汽車，會越來越像你手中的智慧型手機。過去，車輛功能在出廠時幾乎就「定終身」，想升級？多半只能換車。但在軟體定義汽車（SDV）時代，汽車將搖身一變成為具備強大運算能力與高速網路連線的「行動伺服器」，能夠「二次覺醒」、不斷升級。透過 OTA（Over-the-Air）技術，車廠能像推送 App 更新一樣，遠端傳送新功能、性能優化或安全修補包到你的車上。

不過，這種美好願景也將帶來全新的挑戰：資安風險。當汽車連上網路，就等於向駭客敞開潛在的攻擊入口。如果車上的 ECU 或雲端伺服器被駭，輕則個資外洩，重則車輛被遠端鎖定或惡意操控。為了打造安全的 SDV，業界必須遵循像 ISO 21434 這樣的車用資安標準。

威力暘電子運用前面提到的四大核心策略，確保自家產品能符合從 ISO 26262 到 ISO 21434 的國際認證。從品質管理、軟體開發流程，到安全認證，這些努力，讓威力暘的模組擁有最高的網路與功能安全。他們的產品不僅展現「台灣智造」的彈性與創新，也擁有與國際大廠比肩的「車規級可靠度」。憑藉這些實力，威力暘已成功打進日本 YAMAHA、Toyota，以及歐美 ZF、Autoliv 等全球一線供應鏈，更成為 DENSO 在台灣少數核准的控制模組夥伴，以商用車熱系統專案成功打入日系核心供應鏈，並自 2025 年起與 DENSO 共同展開平台化量產，驗證其流程與品質。

毫無疑問，未來車輛將有更多運作交由電腦與 AI 判斷，交由電腦判斷，比交由人類駕駛還要安全的那一天，離我們不遠了。而人類的角色，將從操作者轉為監督者，負責在故障或斷網時擔任最後的保險。透過科技讓車子更聰明、更安全，人類甘願當一個「最弱兵器」，其實也不錯！

• 文／邵思齊，現就讀臺大地質科學系，著迷於大自然的鬼斧神工。

現代的人們生活在充滿明亮人造光源的城鎮中，難以想像純粹的夜空是什麼樣子。對宇宙中天體的印象，多半來自各地天文台與太空望遠鏡所捕捉的絢麗星雲、星團、星系。但這些影像中的顏色是真實的嗎？如果我們能夠用肉眼看到這些天體，它們的顏色真能如影像中如此的五彩繽紛嗎？

色彩的起源：為什麼人眼能看到顏色？

電磁波跨越各種尺度的波段，有波長遠小於 1 奈米的伽瑪射線，也有波長數百公里長的無線電波。但人類眼睛中的的感光細胞僅能感測到波長介於 400-700 奈米之間的電磁波，也就是僅有這段電磁波能夠以紅到紫的色彩出現在人類的視野當中，所以我們對外界的認知就受限於這小一段稱為可見光（Visible Light）的視窗。人之所以能夠辨識不同的顏色，靠的是人眼中的視錐細胞。視錐細胞分成 S、M、L 三種，分別代表 short, medium, long，其感測到的不同波長的光，大致可對應到藍色、綠色、紅色。

肉眼可以，那相機呢？

在還沒有電子感光元件的時代，紀錄影像的方法是透過讓底片中的銀離子曝光、沖洗後，變成不透光的金屬銀（負片），但這樣只能呈現出黑白影像。於是，歷經長時間的研究與測試，有著三層感光層的彩色底片誕生了。它的原理是在不同感光層之間加上遮色片，讓三層感光片能夠分別接收到各自顏色的光線。最常使用的遮色片是藍、綠、紅三色。進入數位時代，電子感光元件同樣遇到了只有明暗黑白、無法分辨色彩的問題，但這次，因為感光元件無法透光，不能像底片一樣分層感光，工程師們只好另闢蹊徑。

於是專為相機感光元件量身打造的拜爾濾色鏡（Bayer Filter）誕生了，也就是由紅色、綠色、藍色三種方形濾光片相間排列成的馬賽克狀濾鏡，每一格只會讓一種顏色通過，如此一來，底下的感光元件就只會接收到一種顏色的光。接著，再把相鄰的像素數值相互內插計算，就可以得到一張彩色影像。由於人的視錐細胞對綠色特別敏感，因此拜爾濾色鏡的設計中，綠色濾光片的數量是其他顏色的兩倍。

這種讓各個像素接收不同顏色資訊的做法，雖然方便快速，卻需要好幾個像素才能還原一個區塊的顏色，因此會大幅降低影像解析度。這對寸解析度寸金的天文研究來說，非常划不來，畢竟我們既想得知每個像素接收到的原始顏色，又想獲得以像素為解析單位的最佳畫質，盡可能不要損失任何資訊。

要怎麼讓每個像素都能獨立呈現接收到的光子，而且還能夠完整得到顏色的資訊呢？最好的方法就是在整塊感光元件前加上一塊單色的濾色鏡，然後輪流更換不同的濾色鏡，一次只記錄一種顏色的強度。然後，依照濾鏡的波段賦予影像顏色，進行疊合，得到一張還原真實顏色的照片。如此一來，我們就能用較長的拍攝時間，來換取最完整的資訊量。以天文研究來說，這種做法更加划算。

另外，由於視錐細胞並不是只對單一波長的光敏感，而是能夠接收波長範圍大約數百奈米寬的光，因此若是要還原真實顏色的影像，人們通常會使用寬頻濾鏡（Broadband filter），也就是波段跨足數百奈米的濾鏡進行拍攝。

美麗之外？濾鏡的科學妙用

雖然還原天體的真實顏色是個相當直覺的作法，但既然我們有能力分開不同的顏色，當然就有各式各樣的應用方法。當電子從高能階躍遷回到低能階，就會釋放能量，也就是放出固定波長的電磁波。若是受到激發的元素不同，電子躍遷時放出的電磁波波長也會隨之改變，呈現出不同顏色的光。

如果我們在拍攝時，可以只捕捉這些特定波長的光，那我們拍出的照片，就代表著該元素在宇宙中的分佈位置。對天文學家來說，這是相當重要的資訊。因此，我們也常使用所謂的窄頻濾鏡（Narrowband filter），只接收目標波段周圍數十甚至數個奈米寬的波長範圍。常見的窄頻濾鏡有氫（H）、氦（He）、氮（N）、氧（O）、硫（S）等等。

有時候，按照原本的顏色疊合一組元素影像並不是那麼妥當，例如 H-alpha（氫原子）和 N II（氮離子）這兩條譜線，同樣都是波長 600 多奈米的紅色光，但如果按照它們原本的波長，在合成影像時都用紅色表示，就很難分辨氫和氮的分布狀態。這時候，天文學家們會按照各個元素之間的相對波長來配製顏色。

以底下的氣泡星雲（Bubble Nebula, NGC7635）為例，波長比較長的 N II 會被調成紅色，相對短一點的 H-alpha 就會調成綠色，而原本是綠色的 O III 氧離子則會被調成藍色。如此一來，我們就可以相對輕鬆地在畫面中分辨各個元素出現的位置。缺點是，如果我們真的用肉眼觀測這些天體，看到的顏色就會跟圖中大不相同。

當然，這種人工配製顏色的方法也可以用來呈現可見光以外的電磁波，例如紅外線、紫外線等。舉哈伯太空望遠鏡的代表作「創生之柱」為例，他們使用了兩個近紅外線波段，比較長波的 F160W 在 1400~1700nm，比較短的 F110W在900~1400nm，分別就被調成了黃色和藍色。星點發出的紅外光穿越了創生之柱的塵埃，與可見光疊合的影像比較，各有各的獨特之處。

望遠鏡接收來自千萬光年外的天體光線，一顆一顆的光子累積成影像上的點點像素，經過科學家們的巧手，成為烙印在人們記憶中的壯麗影像。有些天體按照他們原始的顏色重組，讓我們有如身歷其境，親眼見證它們的存在；有些影像雖然經過調製，並非原汁原味，卻調和了肉眼所不能見的波段，讓我們得以一窺它們背後的故事。