韋伯太空望遠鏡(James Webb Space Telescope)

上一篇介紹過SpaceX公司所推出的「星鏈計劃」(Starlink),我們在這篇向讀者介紹詹姆斯.韋伯(James Webb)太空望遠鏡(Space Telescope)。

太空望遠鏡

來源:NASA's James Webb Space Telescope 

 

人類目前探索宇宙起源的利器就是太空望遠鏡。

由於光線的傳遞需要時間,我們當下所看到的物體已經不在它原先的位置上,甚至連模樣可能都會有所不同,例如我們仰望夜空看到的月亮,那是月球在1.25 秒之前所反射出來的光,月球在我們看到的當下,它已經不在我們所看到的位置。

遙遠星球距離地球的單位是以光年計算,一萬光年外的星球我們現在看到的是它一萬年前的位置與模樣。天文學家利用天文望遠鏡就可以進入時光隧道,去探索星球的生滅、並期望瞭解宇宙的起源。美國「哈伯太空望遠鏡」(Hubble Space Telescope)從1990年服役以來,就不斷的為世界天文學界開啓新篇。過去幾年哈伯太空望遠鏡利用長時間曝光,能夠顯示出星系形成初期、一些年輕熾熱星球的影像。

 

韋伯太空望遠鏡

為求進一步窺視更遙遠的星系以及星系的誕生,那麼就需要一台可以偵測更微弱紅外光的太空望遠鏡。哈伯太空望遠鏡主要是觀察可見光,雖然它也可以偵測紅外光,但是因為太空望遠鏡的口徑太小,再加上自身所產生的熱源會造成紅外光被干擾。所以「美國國家航空暨太空總署」 (National Aeronautics and Space Administration, NASA)聯合「歐洲太空總署」(European Space Agency, ESA)、以及加拿大於1996年開始籌劃建造量測紅外光的「韋伯太空望遠鏡」,它的命名是為了紀念NASA 第二任署長James Webb。

天文物理學家們認為:宇宙是在不斷的澎漲,所以光源也不斷的在遠離地球,所以星球原先發出的可見光,經過百億光年的傳播會被拉長成為紅外光。這種「紅移」(Redshift)現象和「都卜勒效應」(Doppler Effect) 非常類似,只不過一個是聲波、另一個是光波。紅移係數通常以z表示,它等於波長增量除以原波長。z=1 表示波長增加一倍,這道光已經走了77億多年,而實際上這道光源已經在101億光年外的地方。韋伯太空望遠鏡預計可觀測到1<z<6 紅移範圍,z=6 約等於127億光年,這個時間接近第一個星系成形期。

NASA公布韋伯太空望遠鏡的圖片

 

韋伯太空望遠鏡的結構由四大部分組成(參見上圖):光學組件(OTE)、科學儀器模組(ISIM)、遮光罩(Sunshield)、飛行器(Spacecraft bus)。光學組件的主鏡是由18片六角形的鏡片組成,鏡片是由鍍金的鈹製成。鈹元素(Beryllium)的原子量是4,質量輕而且在低溫硬度鋼性大、不易變形。鍍金的原因是:黃金對紅外光的反射效果好。18片組合成直徑6.5公尺,面積25.4平方公尺的主鏡,其聚光面積是哈伯太空望遠鏡的6.25倍,鏡片拋光誤差在10奈米內。每一鏡片背面裝有七個微型馬達以校準位置及曲度,其精度也在10奈米內,相當於萬分之一的頭髮直徑。

韋伯太空望遠鏡這種曲面可調整的鏡面設計是從哈伯太空望遠鏡所學到的教訓。 哈伯太空望遠鏡的原始鏡片研磨時,因爲測量儀器校準錯誤造成約2微米的誤差,使得成像模糊。幸虧哈伯太空望遠鏡的飛行軌道高度才545公里,在發射三年後,NASA太空人搭乘「太空梭」(Space Shuttle)到運行的軌道上,修復了哈伯太空望遠鏡成像模糊的問題。然而韋伯太空望遠鏡的軌道離地球有150萬公里,就不可能再由太空人前往維修,採用可調式的鏡面設計,就是為了因應一些不可預測的因素。

韋伯太空望遠鏡的遮光罩設計

 

韋伯太空望遠鏡的另一特色是它的遮光罩設計。韋伯太空望遠鏡是紅外光望遠鏡,所以它的溫度必須保持在攝氏零下233度左右(絕對零度是攝氏零下273.15度),約等於40度K,任何熱源都會影響感光品質。韋伯太空望遠鏡共有五層、網球場面積的遮光罩,是由薄如髪絲的Kapton 薄膜製成,並在正反兩面鍍上鋁膜,而且在靠近太陽的兩層向陽面又加鍍了一層經摻雜的硅(doped-silicon)可將太陽輻射反射回去。

因為在太空,五層之間2-10吋的空隙可以作為最好的熱傳真空絕緣。絕大部分的太陽光在第一層就被擋住了,因爲吸收陽光而升溫的光罩熱能也可以輻射的方式反射出去。因為有一組「中紅外光譜儀」(Mid-Infrared Instrument)的工作温度是7K(攝氏零下266度),只靠遮光罩還不夠,於是NASA又花了一億五千萬美金,設計了一款聲波低温冷卻系統來満足系統溫度控制的要求。

 

「拉格朗日點」(Lagrangian Points

圖片:拉格朗日點

 

韋伯太空望遠鏡於2021年12月25日搭乘ESA的「亞利安5號火箭」(Ariane 5)昇空,進入第二「拉格朗日點」(Lagrangian Points) L2 軌道。什麼是「拉格朗日點」(參見上圖)?那是兩位數學家歐拉和拉格朗先後計算出來,在日地引力場中有五個地方的綜合引力與物體繞日飛行的離心力相同,週期與地球公轉一致,所以隨著五個拉格朗日點飛行會最省燃料。

韋伯太空望遠鏡選擇離地球150萬公里的L2 軌道,主要是因為:這個軌道離太陽遠、離地球近、而且是在地球的背光面。韋伯太空望遠鏡軌道除了隨著地球繞太陽公轉外,也以日地連線為中軸以L2點為中心,沿著距離為100 x 200地球半徑的「日暈軌道」(Halo orbit) 飛行 (附註:上圖的尺寸比例並不正確)。

其實韋伯太空望遠鏡的Halo軌道中心並不在L2點上,因為這地方的綜合引力不穩定,萬一韋伯太空望遠鏡的飛行速度稍微快了一點,它的離心力就會大於引力,那麼韋伯太空望遠鏡就會脫離軌道而一去不復返,所以寧可選擇在L2點附近、接近地球的這一邊飛行。在這個點位上,韋伯太空望遠鏡所承受的綜合引力大於離心力,所以它會逐漸朝向地球移動(Orbit Decay);韋伯太空望遠鏡在底部裝有推進器,每隔一段時間可以將軌道推高,但是絕對不能超過L2點,因為推進器只能讓韋伯太空望遠鏡前進、不能倒退、也無法轉向掉頭。

韋伯太空望遠鏡的軌道是比較複雜的三維空間軌道,有點不容易理解。目前韋伯太空望遠鏡已經進入預定軌道並逐步調整儀器,期待不久將來這一部耗資100億美金,集合當代最先進製造工藝的太空望遠鏡,可以一窺原始宇宙的奧祕。

關於太空相關的議題,我們一共發表了七篇科普文章,包括「漫談太空旅行」(五篇)、「馬斯克的星鏈計劃」(一篇),以及這篇「韋伯太空望遠鏡」,下一篇會回到地球,介紹「波音787夢幻客機」(Dreamliner),請愛好科普的讀者拭目以待。


作者:

黃國華博士退休前在美國Huntsville的Troy7, Inc. 擔任總工程師(Chief Engineer),這家公司提供美國國防部飛彈防禦署(Missile Defense Agency, MDA)及NASA技術支援。黃博士有多年導航與控制(Guidance and Control)及彈道軌跡設計經驗,他全職支援MDA,並在靶彈部門的導彈軌跡組擔任組長。

王志强博士曾任美國麥道太空系統公司 (MDSSC) 的空氣動力學專家 (Senior Technical Specialist),1992年返台加入台翔航太(TAC)協助發展民航機產業;他的斜槓人生還擔任過:安達信 (Andersen Consulting) 企業戰略經理,中國和光集團戰略長、鴻海董事長特別助理、友達光電(AUO)營銷高階主管、美國林肯電氣 (Lincoln Electric)在台合資公司廣泰執行副總、美世顧問 (Mercer) 台灣區總經理、以及上海佳格 (Shanghai Standard Foods) 營運長。

 

 

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