多少像素才「夠看」？

最近，韋伯太空望遠鏡發布首批科學影像，終於看到敲碗好久的結果——韋伯拍到了人類從未見過的許多東西！有人說，韋伯是哈伯的繼任者，但不知道大家是否好奇過，哈伯和韋伯到底誰比較強？

這個問題有點難回答，因為兩部望遠鏡都是當代科技的結晶。哈伯是 1990 年升空的王者，韋伯是 30 年後科技進步下的產物，我試著用客觀的方式來比較這兩部太空望遠鏡。

哈伯觀測可見光，韋伯觀測紅外光

哈伯的主鏡直徑是 2.4 公尺，韋伯則是 6.5 公尺，韋伯的主鏡直徑比哈伯大 2.7 倍，這也是大家最常比較的部分。可是，如果主鏡大就比較厲害，那麼夏威夷大島上的凱克 10 公尺望遠鏡，不就比哈伯和韋伯更強？

哈伯與韋伯觀測的波段不同，用途也不一樣。哈伯主要觀測的波段在可見光，可見光是指人類眼睛可以看見的光或顏色範圍，也就是紅、橙、黃、綠、藍、靛和紫。從紅光到紫光，光的波長由長到短，紅光的波長大約是 0.62–0.74 微米（1 微米＝0.001 公釐），紫光的範圍則是 0.38–0.45 微米。

紅外光是指比紅光波長更長的光，也就是波長比 0.7 微米更長，這是韋伯望遠鏡主要觀測宇宙的波段。

哈伯和韋伯太空望遠鏡觀測的波段，一個在可見光，另一個在紅外光，所以在功用上本來就不一樣，如果要比較的話就要小心，不然就像拿橘子跟蘋果相比，拿不同的東西做比較顯得很突兀。

誰看得比較清楚？來比一比解析度吧！

哈伯與韋伯可以拿來做比較的是解析度，解析度的值（角秒）愈低，表示能看到天體愈細微的部分，解析度跟主鏡直徑和觀測的波長有關。望遠鏡主鏡愈大，解析度愈好；另外也跟觀測的波長成正比。

以下兩張影像分別是史匹哲太空望遠鏡（Spitzer Space Telescope）和韋伯拍的天空中同一區域紅外光影像，拍攝的紅外波長也差不多（史匹哲：8 微米，韋伯 7.7 微米），不過兩幅影像的解析度卻差很多，韋伯的影像中可以看到更多的細節，史匹哲則好像糊成一團。

當觀測的波長一樣時，解析度跟觀測望遠鏡的主鏡直徑成反比。史匹哲的主鏡是 0.85 公尺，所以韋伯的解析力是史匹哲的 6.5/0.85=7.8 倍！主鏡的大小直接反應在解析度上，韋伯與史匹哲在解析度上高下立判！

解析度除了跟主鏡的直徑成反比，也跟觀測的波長成正比。所以同一面主鏡觀測天體，用愈短的波長觀測解析度愈好。下圖是史匹哲望遠鏡觀測 M81 星系的結果，同樣 0.85 公尺的主鏡觀測，隨著觀測波長的增加，解析度變差。

答案揭曉——哈伯的解析度略勝一籌！

前面提到解析度跟主鏡直徑與觀測波長的關係有一個重要前提，主鏡必須研磨到完美、光滑，也就是主鏡上不能出現高低起伏。如果主鏡不完美，像遊樂場裡的哈哈鏡，不能聚焦成像，解析度自然不好。

波長愈短對鏡面的要求愈高。哈伯太空望遠鏡的鏡面對 0.5 微米波長更長的光是完美的，比 0.5 微米波長更短的光波則呈現不完美，韋伯望遠鏡的主鏡則是對 2 微米更長的波長是光滑的。（光學上，物理學家的說法是哈伯和韋伯分別在 0.5 和 2 微米達到繞射極限。）

哈伯和韋伯望遠鏡最佳解析度分別在 0.5 微米和 2 微米，根據前面的解析度公式，哈伯在 0.5 微米的解析度是 0.05 角秒，而韋伯在 2 微米的解析度是 0.08 角秒，結論是哈伯的解析度比韋伯稍微好一點！也就是哈伯老當益壯，一點也不比韋伯差。

從哈伯到韋伯，有如長江後浪推前浪

天文學家從 1990 年開始，透過哈伯望遠鏡研究宇宙，這三十年來科學家已經把哈伯的功能發揮到極致，我們對宇宙的了解很多都來自哈伯的觀測。不過這三十年的努力也讓天文學家發現哈伯不足的地方，科學家知道關鍵在紅外線觀測能力。前一代的紅外望遠鏡史匹哲無法達到需求，天文學家只能殷殷期盼韋伯。

韋伯首批公布的影像中，幾乎都是哈伯曾經拍過的天體，從科學上來說，比較可見光和紅外影像資料可以對目標天體更多了解，不過我認為這應該是韋伯對哈伯致敬的方式，感謝哈伯三十多年的貢獻！

韋伯站在巨人的肩膀上，必定能看得更暗、更遠！

• 文／林彥興（EASY天文地科團隊總編輯，就讀清大理學院學士班）

「一個哈伯不夠用，那你有試過來一百個嗎？」

哈伯太空望遠鏡可說是世上最著名的科學儀器之一。在它 1990 年升空的這三十年中，拍攝了無數令人嘆為觀止的宇宙奇景。然而，隨著時光流逝，垂垂老矣的哈伯剩下的時日恐怕已經不多。

倘若再次出現嚴重故障，可能就得和這座傳奇的天文望遠鏡永遠告別。好在，哈伯並非後繼無人，在今 (2021) 年十月韋伯太空望遠鏡升空之後，NASA 的下一個旗艦級太空望遠鏡，將以相仿的體型，卻百倍於哈伯的觀測能力幫助天文學家更深入了解宇宙的奧秘。它就是「南希．葛莉絲．羅曼太空望遠鏡 Nancy Grace Roman Space Telescope 」。

誰是羅曼？人稱哈伯之母的天文學家

在介紹望遠鏡之前，讓我們先來看看羅曼究竟是誰，居然偉大到讓 NASA 以她的名字命名下一代的旗艦級望遠鏡。

南希．葛莉絲．羅曼 (1925-2018) 是著名的美國天文學家。在二十世紀前葉，科學界中的性別不平等遠比現在嚴重。但她仍然努力撐過他人的冷眼與勸退，選擇攻讀天文並在取得博士學位後，在恆星分類、星團運動等領域貢獻卓越。

1959年，羅曼到 NASA 任職，並從此長年擔任 NASA 的首席天文學家。在她任職的時代，太空科技才剛剛起步，人們對太空望遠鏡的概念也相當陌生。但羅曼憑著她的遠見，參與、主持了許多 1960 與 1970 年代 NASA 的太空望遠鏡計畫，並四處為這些計畫籌措資金，為現代太空望遠鏡的蓬勃發展打下基礎。

同時，她也推動 NASA 將觀測到的資料開放給全世界使用，最終讓天文界開放資料的文化延續至今。她對 NASA 太空望遠鏡計畫的卓越貢獻，最終讓她獲得「哈伯之母」的美譽。

我要一個打一百個！羅曼的超廣視野

在被命名為羅曼太空望遠鏡之前，這個望遠鏡計畫名為「廣域紅外巡天望遠鏡
WFIRST 」。顧名思義，這是一台觀測可見光與近紅外線，用於進行廣域巡天——也就是觀測大範圍天空——的望遠鏡。預計將在 2020 年代中期發射，與蓋亞、韋伯等前輩一起運行於日地第二拉格朗日點。

在望遠鏡的構造上，羅曼與哈伯太空望遠鏡相當類似，都使用一面直徑 2.4 公尺的主鏡。但得益於三十年來的科技進步，同樣是 2.4 公尺的主鏡，性能卻大不相同。

首先，利用先進的新式材料，羅曼的主鏡重量僅有哈伯的兩成，約 186 公斤重。再者，為了增加鏡片的反射率，一般的望遠鏡都會在鏡片的表面鍍上一層高反射率的金屬。比如哈伯太空望遠鏡的鏡片表面，就鍍上了一層約 850 奈米厚的鋁。但鋁雖然能夠很好的反射可見光與紫外光，對紅外線的反射率卻不夠理想。因此作為一個觀測近紅外線為主的望遠鏡，羅曼的主鏡片表面鍍上了厚度 400 奈米的銀，讓它能夠更好反射來自宇宙深處的黯淡紅外線。

但單純只是反射還不夠，想要得到清晰的影像，就得精確的讓光線聚焦到正確的位置。因此，望遠鏡需要非常精密的拋光。羅曼的主鏡在拋光完成後，鏡片表面的平均起伏僅有 1.2 奈米。這有多平整呢？如果我們將鏡片放大到跟地球一樣，那它表面的起伏將僅有 6 毫米高！

最後，當光線經過一連串複雜的鏡片聚焦之後，將匯聚到羅曼的相機—— 3 億像素的「廣域儀器 Wide Field Instrument 」上，轉化為影像資料後送回地球讓天文學家分析。在這一整套光學系統的合作下，羅曼太空望遠鏡保有與哈伯相同解析度的情況下，擁有視野一百倍以上的超廣視野！

視野超大，然後咧？

誒不過話說回來，視野廣大有什麼用呢？

望遠鏡不是要讓我們去看更暗、更小的東西用的嗎？視野變大了，解析度卻沒有提升，這樣真的算是有進步嗎？

當然有囉！

在大家的印象中，天文學家好像總拿著望遠鏡，鉅細靡遺的觀察、研究某個天體。這當然是其中一種重要的方式，但並不是天文研究的全貌。其實在真正的天文物理研究中，很多天文學家想知道的並不是特定天體的特性（比如仙女座銀河有幾根懸臂、有多少顆恆星），而是藉由大量普查宇宙中該種天體的基本性質，然後在海量的資料中尋找擁有科學價值的寶藏。

覺得這像有字天書嗎？沒關係，我們舉個比較親民的例子。

如果你今天想知道新課綱對孩子們的學習成效如何，你會怎麼做呢？也許你可以找幾個孩子出來談談，仔細地問問他們對新課綱的想法。就像那些鉅細靡遺的研究特定目標的天文學家一樣；但你也可以用更宏觀的方式，比如看看他們全體的考試成績或補習花費，來了解新課綱的影響。

同理，對宇宙學家與星系天文學家來說，羅曼太空望遠鏡的廣大視野，讓他們可以在相同的時間內拍攝更廣的天空，或是在對同一片天空拍攝更久的時間，以看見更暗的天體。

當羅曼升空之後，將會拍攝早期宇宙中數以百萬計的大量星系與超新星，並對其中一部份進行更詳盡的光譜分析，藉由觀測這些星系的紅移、位置分佈、形狀、亮度、大小⋯⋯等等資訊，可以回推出宇宙膨脹歷史（與暗能量有關）、星際間暗物質的分佈（利用重力透鏡效應）、尋找早期宇宙中的特殊星系、甚至是幫忙測量本星系群之中的恆星移動。

另一方面,系外行星學家也對它充滿期待。羅曼太空望遠鏡將藉由兩種方式來偵測系外行星：

一個是藉由「微重力透鏡 Microlensing 」效應。當一顆恆星通過一個背景光源時，恆星的質量會扭曲周圍的時空並匯聚後方的光源，使得背景光源看起來像在短時間內快速的變亮、然後又恢復原狀，而且亮度變化的曲線有相當明顯的特徵。而如果這顆恆星旁邊有行星環繞，那行星的質量也將對亮度曲線造成影響。天文學家就能藉由分析亮度的變化曲線，來探測系外行星的存在。

第二個重點，羅曼將攜帶最先進的日冕儀 (CGI)，直接拍攝系外行星與原行星盤。

甚麼是日冕儀呢？顧名思義，它最早是為了研究太陽的日冕而發明的儀器。由於平常的太陽實在太亮，使得旁邊相對黯淡的日冕相當難以觀測，因此科學家發明了日冕儀，藉由複雜的光學系統，遮擋住視野中心來自太陽的強光，才能好好的拍攝、研究黯淡的日冕。

而系外行星的探測中，由於系外行星本身又小又暗、又非常靠近明亮的母恆星，想要直接拍攝到他們，就像要你直視著汽車頭燈，然後尋找頭燈旁的蚊子一樣困難。因此，天文學家必須借助日冕儀的力量才能夠直接拍攝到它們。

而羅曼搭載的光譜儀，將更進一步利用各種特殊的光學元件，以及類似調適光學技術中採用的可變形鏡片，利用破壞性干涉來消除主恆星的光線，讓我們能看到主恆星旁 邊，比恆星暗數百萬倍的系外行星。並進一步研究它們的光譜，看看他們溫度多高、 是由甚麼組成、讓我們更加了解這些外星世界。 

結語：值得期待的未來

作為韋伯之後的下一款大型光學太空望遠鏡，天文學大尺度與小尺度的問題羅曼通通包辦。它將能夠以哈伯等級的解析度，拍攝廣大宇宙中數以百萬計中的星系來研究宇宙學與星系演化；同時，它搭載的新一代日冕儀將能讓我們更清楚的直接拍攝系外行星。羅曼太空望遠鏡將產出哪些令人驚艷的資料？又將如何協助我們揭開宇宙的神秘面紗？就讓我們拭目以待吧！

參考資料

1. STSCI, Roman. Nancy Grace Roman Space Telescope
2. Roman Space Telescope NASA 官網. Roman Space Telescope/NASA
3. 主鏡製造商 Nancy Grace Roman Space Telescope 
4. Roman Lecture Series
5. 初稿：【時事新聞】羅曼太空望遠鏡的鍍銀主鏡

生物體中的蛋白質分子通常長得非常複雜，不是幾行化學式能解決的。如果想把它的分子結構鉅細靡遺的描繪出來，你有幾種選擇。

讓人類發現 DNA 雙股螺旋的 X 光晶體學

其中一個是 X 光晶體學，也就是讓許多蛋白質分子一同排列成整齊的晶體，接著將 X 光打進去，用繞射圖案進行分析。從 1950 年代以來，科學家便常常使用這種技術來探索分子結構。DNA 的雙股螺旋結構便是透過 X 光晶體學被發現。

不過這種方法有其根本上的限制。X 光晶體繞射後的強度很弱，必須藉由晶體內多個重複且整齊的晶格，進行同步繞射來增強訊號，因此沒辦法處理太大的蛋白質分子（單位體積內重複晶格太少），或是結構複雜的蛋白質（像是核糖體是由兩個次單元組成的），而且因為 X 光晶體學仰賴的是晶體結構的繞射，那些無法好好結晶的蛋白質，便不在它的防守範圍內，而細胞中許多的蛋白質都很難形成整齊的晶體。

另外，就算可以成功的結晶，被結晶的蛋白質分子也無法呈現出平常運作時的多種風貌，產生的影像也無法捕捉關於分子的任何動態資訊。

不斷跨越解析度門檻的低溫電子顯微技術

於是我們有另一個選項：低溫電子顯微技術 (cryo–electron microscopy) 。待觀察的分子被凍結在超低溫環境中，而研究人員用電子束轟炸分子，透過電子留下的影像來還原分子的立體結構。這種技術不需要蛋白質進行結晶，不過解析度普遍較差，最後的影像往往只能看出幾個模糊的團塊，因此通常只會用在大的蛋白質分子。

隨著相關領域人員的持續努力，低溫電子顯微的解析度已經大有進展。2017 年的諾貝爾化學獎便是頒給三位科學家在高解析度低溫電子顯微技術方面的突破。前一陣子的紀錄保持者是日本團隊對缺鐵基蛋白 (apoferritin) 的研究，解析度到達 1.53 埃。不過如果想要清楚的呈現個別原子，解析度差不多需要到達 1.5 埃，還差了一些。

在今年十月 Nature 期刊的一篇最新研究中，一個跨國研究團隊利用改良過的電子束與分析軟體，成功達到了 1.25 埃以上的解析率，足以清楚標示出每顆原子的位置。

聽起來很厲害，不過這代表的是什麼？

由於生物分子可以在行動中被降溫並「定格」，我們現在能夠清楚的看見蛋白質這類複雜的分子機械如何運作，清楚到每顆原子的動態都盡收眼底。毫無疑問地，這樣的技術將為分子與結構生物學帶來重要的進展。

目前，原子等級的解析度只適用於結構較堅硬的蛋白質分子。做為下一階段的目標，研究團隊希望能將同樣的技術運用在一般柔軟的大型蛋白質結構，並達到一樣好的解析度。在結構生物學的領域中，使用低溫電子顯微鏡的研究人口逐年成長，而這次的技術突破有望繼續加速這個趨勢。

參考資料

1. Yip, K.M., Fischer, N., Paknia, E. et al. Atomic-resolution protein structure determination by cryo-EM. Nature 587, 157–161 (2020).
2. Cryo–electron microscopy breaks the atomic resolution barrier at last
3. X-光晶體繞射學與結構生物學