【為什麼我們挑選這篇文章】
美國航太總署（NASA）於 26 日，發射新一代太空望遠鏡「詹姆斯韋伯」（James Webb Space Telescope），將接替哈柏太空望遠鏡，探測神秘的太空世界。台灣的天文學家，用白話有趣的方式，為大家解說 Webb 對於天文研究及太空工程的意義！（責任編輯：陳怡君）
文/楊燿綸｜美國維吉尼亞大學天文系博士後研究員，張珮綺｜自由撰稿人
trois, deux, unités, top
幾個小時之後，美東時間 12 月 25 日的清晨，Ariane 5 火箭將在任務指揮官 Jean-Luc Voyer 的倒數下點火。
歷經 20 年、100 億美元設計建造，即將成為世界上最大的太空望遠鏡 — 詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（ NASA’s James Webb Space Telescope）緩緩升空，揭開人類對宇宙了解的下一個篇章。
寫下這篇文章時，距離發射還有 12 小時。
身為天文學家的我，在 Twitter 上追蹤了無數參與 Webb 的專家，眾人引頸期盼。 回想我十年前踏入天文時，這個次世代太空望遠鏡還被砍預算，殊不知後來預算超支 20 倍、發射時間推遲共 14 年， Webb 對我來說，此刻終於不再只是寫在研究計畫的關鍵字了！
想跟大家分享 Webb 對於天文研究及太空工程的意義：
（註：為了避免寫的太像論文，以下轉譯為我跟 Pei-Chi Chang 的對話）
妻： Webb 厲害在哪呢？請用我聽得懂的語言。
我：簡單來說， Webb 提供了前所未有的觀測能力，讓我們可以看到宇宙大爆炸之後的初代星系、橫跨宇宙時間的星系演化、系外行星的大氣組成、以及恆星行星形成的過程。為了突破原有技術上的限制， Webb 更是太空工程上的大躍進。
妻：初代星系……系外行星……嗯，好。 就我所知，哈伯望遠鏡（Hubble Space Telescope) 是目前地球送出最厲害的太空望遠鏡（而且是在我們出生那年 1990年升空的！），像是我們常看到的哈伯深空影像、貓眼星雲等等。 現在這個 Webb 有什麼不同呢？
我： Hubble 以及大部分地表望遠鏡主要觀測「可見光」，就像你眼睛看得到的光線。 Webb 主要觀測「紅外光」，像是現在我們進便利商店的體溫儀，就是測量身體發出的紅外光。
妻：你剛剛說 Webb 是太空工程大躍進，為什麼呢？
我：這是史無前例的望遠鏡設計。 舉例來說，任何有溫度的物體（包括望遠鏡本身）都會放出紅外光，為了提高觀測的靈敏度，望遠鏡需要越低溫越好。 所以 Webb 攜帶了各種「冷卻設備」，以及五層「遮陽膜」（薄如隔熱紙、大小如網球場！）。 望遠鏡的位置也是一大關鍵，要放在背向太陽、距離地表 150 萬公里的軌道中，讓 Webb 可以繞行在太陽與地球重力影響的一個穩定點 L2。
妻：逼逼 —（吹哨子） 什麼穩定點 L2 的我聽不懂！ 不過 150 萬公里，聽起來超遠的呀。
我：沒錯，大家熟知的 Hubble「只有」距離地表 545 公里，有問題太空人可以上去維修的。
妻：所以 Webb 到達觀測位置之後，有東西壞掉，太空人是不是沒辦法去修？
我：是的，因為太遠了。現行的技術做不到。
妻：唔，我不敢聽下去了，科學家 20 年的青春呀。（抱頭摀耳）
我：Webb 也比 Hubble 大得多， Webb 主鏡的直徑是 6.5 公尺，而 Hubble「只有」2.4公尺，另外一個去年退役的紅外光太空望遠鏡 Spitzer 的主鏡只有 0.85 公尺。望遠鏡的鏡面越大，能夠收集到的光也越多，讓望遠鏡更靈敏。
妻：等等等，收集到的光越多、望遠鏡越靈敏，是什麼意思？ 靈敏……我只知道狗狗的嗅覺很靈敏。
我：Webb 的靈敏度比現有的望遠鏡高 50 – 100倍，也就是說，假設觀測同樣的天體，其他的望遠鏡要花幾千倍的時間觀測，才能達到相同的靈敏度。 Webb 的空間解析度在中紅外光也提升了2.5 到 7 倍。
妻：欸不過，你剛剛說光是那個遮陽膜就跟網球場一樣大，我們火箭裝得進去嗎？
我：問得好，這也是最困難的部分。 如何把像一座網球場大小的望遠鏡發射到太空中？你覺得呢？
妻：請直接告訴我。
我：目前載貨空間最大的火箭 Ariane 5 只能容納約 5 公尺大小。 因此， Webb 必須要像「摺紙」一樣，折成可以放入火箭的大小，進到太空中以後再展開。
妻：酷！就像有人會從聖誕禮物跳出來，大喊一聲 「Surprise!」的感覺。
我：這也是太空工程的極大挑戰， Webb 的展開的過程必須要「萬無一失」。像剛剛說的，如果有任何差錯，我們是沒有辦法像 Hubble 一樣派太空人去維修 QQ
妻：X (消音）
我：從發射開始， Webb 要經歷長達 29 天的旅程（天文學家大概會 29 天都睡不好覺），到達 L2 並展開到可以運行的樣貌。
有幾個時間點特別關鍵：
⏱ 發射後 27 分鐘：Webb 脫離發射的火箭，脫離後 Webb 就要靠自己了！
⏱ 發射後 33 分鐘：展開太陽能板讓 Webb 有電可用
⏱ 發射後 12.5 小時：第一次的軌道修正（也是最關鍵一次）， Webb 要用攜帶的燃料推進到前往 L2 的軌道
⏱ 發射後 5-8 天：展開五層網球場大小的遮陽膜。展開的過程中有 107 個機關必須要同時啟動去鋪開這五層遮陽膜，任何一個機關失敗， Webb 就沒有辦法進行原定的科學任務了
⏱ 發射後 10 天：放下第二反射鏡
⏱ 發射後 13 天：展開主要反射鏡。這時候 Webb 就完全展開了！
⏱ 發射後 29 天：進行最後的軌道修正進入 L2（想知道更多可以看NASA的blog）
妻：等等等等等！107 個機關只要有一個出錯，就失敗了？ 天哪我不敢想像科學家壓力會有多大，我不要發射了（地上滾來滾去）
我：還不只 107 個唷，這段旅程中有超過 300 個 single-point failure，也就是為了 Webb 的科學任務「必須成功的步驟」。這邊有 NASA 的影片可以看看這段 29 days of terror！
妻：我看了，我尖叫。真的很了不起，大家有興趣可以看一下！
我：當 Webb 到達 L2 後，科學任務就正式展開！（鼓掌撒花）儀器團隊會先花幾個月校正各項儀器，確保 Webb 一切如設計般的運作，發射後六個月「觀測任務」將會正式展開。
妻：哦哦哦，就是你常常跟我講的，你也有參與的觀測計畫～ 現在終於知道有多厲害了！
我： Webb 的設計可以用來進行各種的觀測計畫，包含前所未見的觀測計畫，大幅地推進我們對於宇宙的了解。
1. 了解宇宙誕生的過程：高靈敏度的紅外光觀測可以看到大爆炸之後初代的星系。
2. 了解星系的演化：觀測宇宙不同時期的星系，像是暗物質對於星系的影響等等。
3. 也許會知道哪些行星是否適合人類居住：在紅外光可以看到很多不同分子（像是二氧化碳、水、甲烷等）獨特的光譜，透過 Webb 我們可以量測系外行星的大氣組成。
4. 恆星與行星形成的過程：恆星與行星剛形成時多半環繞著塵埃組成的雲氣，有點像是我們常看到的雲霧，擋住了視線。而紅外光觀測可以看透這些雲氣。
妻：我承認上面這段我不小心睡著了。
我：習慣了。
妻：所以說，你常常講的「耶！我拿到觀測時間了！」是什麼意思哩？
我：全世界的天文學家都可以申請 Webb 的「觀測時間」，去進行想要的研究，通常每年有一次的申請機會。
去年 11 月底，各個天文學家送出了他們的觀測計畫，寫下想研究的問題，以及為什麼這個觀測計畫是回答這個問題最好的方法。
妻：你的中文真的有點英文化了。
我：第一期（Cycle 1）觀測總共有 1173 份觀測計畫申請，然而 Webb 每年可以觀測的時間有限，因此透過約 200 位來自各地的天文學家組成的審查小組，約 25% 的觀測計畫通過審查列入第一期的觀測（包含我的計畫 yay！）。
妻：恭喜！聽說你拿到 25 個小時，造價 100 億、預計運轉 10 年的Webb，我算算（按計算機）每小時造價 11 萬美金，25 小時就是 275 萬。 好多！！！ 你要好好觀測跟分析唷（拍肩）
我：大部分的觀測計畫都是因為 Webb 的前所未有的觀測能力才成為可能，對我來說我真的不知道我們會看到什麼，但那就是在探索未知的宇宙！
妻：感受到科學家們對於探索宇宙的好奇心、恆心、勇氣，默默感動中。還有什麼話想說嗎？
我：JWST 的發射剛好是在聖誕節，台灣時間晚上 8:20（美東時間早上 7:20），大家吃完聖誕大餐後一起來看 NASA 發射的直播，為新世代宇宙探索見證！
相關連結
📽 JWST的預告片
🕹 點火倒數的預演
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（本文經作者 楊燿綸、張珮綺 授權轉載，並同意 CitiOrange 編輯導讀與修訂標題，原文標題為 〈全球天文學家等了 20 年為了這一刻！〉。首圖來源：NASA instagram）
