志祺七七
2022.09.20

揭開宇宙最深處的秘密!斥資百億美金打造的「韋伯望遠鏡」,到底有多強?《 七七科學探索 》EP 026|志祺七七

各節重點:
00:00 開頭
02:22 衆所矚目的繼位者:韋伯太空望遠鏡
03:42 韋伯望遠鏡的宏圖大志
04:52 韋伯望遠鏡有什麼特別?
06:06 坎坷的研發之路 
07:54 韋伯與它的照片們
09:29 韋伯的下一步?
10:15 我們的觀點
11:31 問題
11:52 結尾




---【 影片口白逐字稿 】---



今年7月,NASA公佈了「韋伯太空望遠鏡」的第一批全彩照片,這些絕美的星空照,立刻在網路上瘋傳,引起全球轟動!究竟,號稱「史上最強、最昂貴」的韋伯太空望遠鏡,到底有多厲害?它拍到的照片,為什麼讓科學家這麼興奮呢?今天,就讓我們一起來聊聊「韋伯太空望遠鏡」吧!

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hiho~大家好,我是志祺!
從NASA公佈了韋伯拍攝的第一批照片之後,時不時都會在社交平台上看到這幾張照片,甚至,你可能還看過這一張以假亂真的恆星照片。

看到這些影像,很多天文迷,激動得熱淚盈眶,覺得人類這麼多年的投入,終於得到回報了!但對其他人來說,可能會有點難了解,這些照片的背後代表了什麼意義。咦?不就是一台新的望遠鏡、和一些很漂亮的照片嗎?到底哪裡厲害呢?

今天的志祺七七,將會帶大家從科學家們對韋伯的構思、設計開始,一步步瞭解韋伯一路走來的發展歷程。這個被譽為「人類偉大工程成就之一」的韋伯望遠鏡,究竟是怎麼出現的?為什麼NASA不惜砸大錢,也要把它送上太空呢?


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【衆所矚目的繼位者:韋伯太空望遠鏡】

1990年,哈伯太空望遠鏡發射升空後,陸陸續續傳回許多壯麗的照片,也傳回許多珍貴的星體觀測結果,徹底改革了近代的天文研究。

有了這一大突破,從1996年開始,有許多科學家開始思考,要如何培養哈伯望遠鏡的「繼位者」。因為,在原本的計畫中,哈伯望遠鏡只會服役15年左右而已,必須要有下一代望遠鏡,繼承哈伯的任務。

於是,2002年,新的望遠鏡計劃正式啓動,而這位「繼位者」也有了它的名字——韋伯太空望遠鏡!不過,韋伯所背負的任務,不只是接替哈伯而已,還要為整個天文界「開闢疆土」!

過去,哈伯的觀測波段,集中在「可見光」和「近紅外線」,但因爲宇宙一直在膨脹,星系之間的距離也不斷增加。這在觀測上,就相當於光線的波長不停在變長,慢慢地就超出了哈伯能觀測的範圍,尤其距離哈伯越遠的星系,觀測更加困難。

因此,韋伯的首要任務,就是要主攻「紅外線波段」的觀測。如果能觀測到更遠的星系,就有可能找到更接近「宇宙大爆炸」殘留下來的紅外線,這不止有機會證實大爆炸理論,還能觀測宇宙早期的樣子,讓人類一窺從沒看過的領域!

【韋伯望遠鏡的宏圖大志】

事實上,韋伯接下來的任務,也是未來 10 年天文界的三大研究目標,分別是「觀測宇宙早期星系」、「研究星系形成和演化」,還有「尋找可能適合人類居住的系外行星」。

首先,在「觀測宇宙早期星系」這個目標上,科學家希望藉由韋伯的紅外線觀測能力、以及超高解析度,看到宇宙最早期誕生的星系,了解星系是怎麽從宇宙還沒有那麽多物質的時候,演變到現在的樣子。

第二,在「研究星系形成和演化」的目標上,科學家也希望能觀測到更完整的星系生成、演化過程,還有恆星跟周圍的行星系統,是怎麽形成的。當然,就像探索火星一樣,韋伯的高精度儀器,也可能讓科學家們在探索外星生命方面,有突破性的新發現。

最後,則是「尋找系外行星」。韋伯最主要的任務之一,就是尋找人類可以居住的系外行星。韋伯搭載了先進的「光譜儀」,可以分析行星的化學組成、溫度,還有上面的氣體運動,來尋找可能適合人類居住的行星。而爲了達成這些遠大的目標,韋伯望遠鏡在不同環節上,都做了很多升級!


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【韋伯望遠鏡有什麼特別?】

韋伯望遠鏡,堪稱裝備最齊全、技能樹點到滿的「旗艦級太空望遠鏡」!

在裝備方面,韋伯望遠鏡的「主鏡口徑」,大約是6.5公尺,是目前最大的太空望遠鏡,也是之前哈伯望遠鏡的三倍大。鏡片口徑越大,就能搜集更多的光線,讓韋伯的靈敏度大幅提升,可以拍到更精細的星體照片。

而在觀測位置方面,韋伯在太空中繞行的位置,設定在地球上方約150萬公里的「日地第二拉格朗日點」附近。這個點,是地球與太陽的重力,在宇宙中達成平衝的地方,在這個點進行觀測,就可以固定望遠鏡跟地球、太陽的相對位置。

這樣做的好處,就是讓太陽、地球和月亮都保持在同一側。因此,雖然太陽、地球、月球都是有「溫度」的星體,會放出紅外線干擾觀測。

但只要韋伯望遠鏡背對著太陽、地球和月亮,然後張開它超大的「遮光罩」,並把遮光罩固定朝向一個方向,就可以阻擋大部分的紅外線干擾,達成更精準的觀測!對於韋伯望遠鏡,科學家投入了非常多的資源,也對它抱有很高的期待。不過,韋伯望遠鏡卻個有非常坎坷的發展歷程。

【坎坷的研發之路 】

這是因為,科學家不斷給韋伯增添新裝備的同時,也無形中增加了任務的難度。過去,哈伯望遠鏡都是在低地球軌道繞行,如果儀器出現了什麼狀況,NASA 都可以派太空人飛上去維修。

但是,韋伯的軌道在地球上方150萬公里,是哈伯高度的3000倍左右,要維修韋伯,幾乎是不可能的任務!這也代表,所有儀器和裝置,都必須要不斷地測試和檢查,才能確保它離開地球後,不會出任何問題!

另外,韋伯身上這些精密、龐大、又缺一不可的裝備,全部加起來,讓韋伯的體積變得巨大無比!科學家們不得不逼韋伯練就「軟骨功」,才有辦法把望遠鏡裝進細長的火箭裡面。

經過不斷的嘗試,科學家設計出了許多方法,像是把巨大的鏡面,分割成18塊小六角形,或是把遮光罩設計得更輕、更薄等等,讓望遠鏡有辦法緊密折疊。

而望遠鏡上了太空後,要怎麼「展開」也是一個大工程,從展開、定位、冷卻到校正,需要耗時數個月、執行 344 個步驟,而且每一步都不容許失敗!這些超高的技術難度,也讓計畫面臨嚴重的挑戰。

原本1996年,科學家初步規劃這支望遠鏡時,打算要在 11 年後,也就是2007年,就要把望遠鏡要發射上去,結果計畫一延再延,拖了二十多年都還沒完成。

而經費的部分更是嚴重超支,預算從原本的5億美金,一路追加、追加、再追加,最終用了96億美金,也就是大約2700億台幣,才讓這次計畫能夠繼續執行。

所幸,經過一番折騰和努力,科學家終於在去年年底,把韋伯望遠鏡送上了太空,而本來被迫延後退休的哈伯,也終於可以準備功成身退了!


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【韋伯與它的照片們】

初出茅廬的韋伯,在上太空的半年之後,就交出了亮眼的成績單,也就是分別在今年7月12日、8月2日公布的照片。而這些全彩影像,讓許多科學家非常振奮!

不過,我們這邊要提醒一下,韋伯望遠鏡的照片,是科學家們「調整」過後的結果,畢竟,韋伯捕捉的是紅外線,理論上人眼根本看不見。所以,科學家有先根據紅外線的波長長短,填上不同的顏色,才有了現在這些色彩繽紛的圖像。

在這些影像之中,像是這張,就是韋伯的第一張深空圖像,相比於「哈伯深空」中拍到的微弱恆星與星系,「韋伯深空」的恆星與星系不僅更加亮眼,也更加精緻,揭露了許多細節的結構。

尤其是它記錄到的遙遠星系,可以觀測到宇宙大爆炸之後2.5到1億年之内的樣貌,比哈伯望遠鏡當初的10億年還要更早,讓科學家們像是坐上時光機一樣,可以研究宇宙更早期的狀態。其他韋伯傳回來的相片,同樣也很精彩!

像是這張星雲的照片,就是在用紅外線波段拍攝,才能觀測到的恆星誕生區域。這張「南環狀星雲」,則讓大家清楚看到了,垂死的恆星周圍發生的變化。而「史蒂芬五重星系」則是在觀察,未來可能合併成 1 個超星系的4個星系。

其他,還有很多照片可以分享,我們這邊先不細講。雖然對一般人來說,這些照片可能只是「很漂亮」而已,但對科學家來說,韋伯拍攝的照片,都有很高的科學價值,為未來的天文觀測,打下了非常重要的基礎!


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【韋伯的下一步?】

現階段,韋伯的主要任務,以延續哈伯的觀測成果爲主。接下來,韋伯會鎖定兩個超級地球,來探索地球早期生命的起源。還有,韋伯也會拍攝數以百萬計的星系與超新星,藉由這些星系的位置、形狀、亮度等等的資訊,來回推宇宙膨脹的歷史。

此外,科學家還打算透過韋伯,搜尋更多類似太陽的恆星,再針對恆星周圍的行星系統進行進一步分析,像是研究行星上面的大氣成分、是否有生命跡象等等,篩選出有可能適合人類移居的星球。

根據目前的規劃,韋伯至少還會服役10年以上。也就是說,現在的韋伯,才剛剛踏出它小小的第一步而已,就讓我們繼續期待,韋伯接下來會帶回的精彩成果吧!

【我們的觀點】

其實,關於韋伯望遠鏡,還有非常多心酸的事件可以分享。包括早期設計的大更動、預算緊縮再追加、緊縮再追加,還有遇上新冠疫情的挑戰、命名為「韋伯」的爭議等等。礙於篇幅,我們今天沒辦法介紹太多,也歡迎觀眾們在底下幫我們補充更多資訊!

回到這集的內容,在NASA公佈第一批照片的那天,我們深刻地體會到,歷經二十年才打造出來的韋伯望遠鏡,承載了NASA、科學家、還有世界各地的天文愛好者,跨越世代的期盼。像這樣大型的天文研究計畫,幾乎都要耗費數十年、數百億才有辦法執行。

而且,這還不保證任務一定會圓滿達成,只要過程中有任何閃失,像是單位計算出錯、或是一個小小的零件壞掉,都有可能導致毀滅性的結果,讓過去一切的努力化為烏有。

每一次任務,風險和成本,都是難以想像地高昂,這也是為什麼,當科學家們看到韋伯成功發射、成功拍到照片時,會這麼激動的原因了。那些照片,除了好看、漂亮以外,更是代表了過去那些艱辛的付出,終於有了回報!

韋伯望遠鏡的成功,不僅僅是太空科技發展的里程碑,它也像是一扇窗,讓我們在看向宇宙最深處的同時,能對自己所在的世界,有了更深的了解與認識!

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好的,這集到這邊,最後想問問大家,你最期待韋伯望遠鏡,接下來帶給我們什麽新消息呢?

A.找到最古老的星系,讓我們了解宇宙的起源
B.找到可以居住的行星,全球移民去
C.接觸外星生命,把人類帶向更高的文明
D.拍到美美的照片,讓我可以換電腦桌布
E.其他,留言分享給我們

最後,如果你喜歡今天的影片,歡迎分享出去,讓更多人認識「韋伯太空望遠鏡」!
此外也可以點這邊,看看「哈伯太空望遠鏡」以及「超曲折的黑洞理論史」;那麼,今天的志祺七七就到這邊告一段落,我們明晚再見囉!

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【 本集參考資料 】

→Mission Timeline:https://bit.ly/3SetIjp
→解析韋伯太空望遠鏡第一批影像背後的科學意義:https://bit.ly/3S0lbRe
→對面的E.T.看過來!韋伯太空望遠鏡曲折的追星路──《五十億年的孤寂》:https://bit.ly/3f18aZ9
→順利升空只是開始!韋伯太空望遠鏡升空後「必須完美」的 29 天旅程:https://bit.ly/3f0K6pi
→Webb Telescope Sees the Universe Like We've Never Seen It Before:https://go.nasa.gov/3SjtJ5K
→韋伯v.s哈伯,新舊圖像做比較見識韋伯望遠鏡強大之處:https://bit.ly/3SfSKyr
→7 big questions the James Webb Space Telescope is about to answer:https://bit.ly/3RTpyO2
→韋伯首開天眼! 鎖定2炙熱「超級地球」:https://bit.ly/3f33PF0"

【 延伸閱讀 】

→Webb’s Scientific Method, What to Expect:https://go.nasa.gov/3SfU30h
→順利升空只是開始!韋伯太空望遠鏡升空後「必須完美」的 29 天旅程:https://bit.ly/3SfU9Fb

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