韋伯望遠鏡開啟星光黎明之旅

去年聖誕節上午,有史以來最大、最昂貴的太空望遠鏡「韋伯」順利升空,世界各地的天文學家為此歡欣祝賀。但這架耗費百億美元打造,開發時程延遲逾 10 年的太空望遠鏡,未來依舊充滿懸念

去年 12 月 25 日,一個世代的天文學家的夢想與工作,以有史以來最巨大且昂貴的太空觀測站形式,朝著環繞太陽的軌道升空。由美國航太總署(NASA)、歐洲太空總署(European Space Agency)及加拿大太空總署(Canadian Space Agency)合力打造的韋伯太空望遠鏡(The James Webb Space Telescope),從法屬圭亞那庫魯(Kourou)接近赤道的一座發射基地升空,一柱搖曳升天的火焰與煙霧,在早晨時分開啟了一段百萬公里的旅程。

「世界給了我們這架望遠鏡,今天,我們要將它還給世界,」韋伯望遠鏡計畫總監格雷戈理.羅賓遜(Gregory Robinson)在法屬圭亞那的發射後記者會上說道。

2014 年,光學工程師拉金.凱利(Larkin Carey)為韋伯望遠鏡檢查兩個測試鏡面元件。(Chris Gunn/NASA)

這架以 NASA 前署長韋伯(James Webb)為名的望遠鏡(該名署長曾在早年帶領 NASA 阿波羅計畫),與人們曾引以為豪的哈伯望遠鏡(Hubble Space Telescope)相比,能夠看到更遠的太空、回溯到更久遠的時光。它的主聚光鏡直徑約 6.4 公尺,大約是哈伯望遠鏡的 3 倍大,靈敏度則是7倍。

韋伯望遠鏡的任務是去尋找最早、最遙遠的恆星和星系,它們大約出現在 137 億年前,從 138 億年前宇宙大爆炸留下的霧霾中誕生。

世界各地的天文學家,都遠距觀看了韋伯望遠鏡的發射過程,許多人穿著睡衣,歡欣雀躍地聚在 Zoom 上。

「多棒的聖誕節禮物啊,」加州大學聖塔克魯茲分校的加思.伊林沃斯(Garth Illingworth)說道。

美國國家科學基金會(National Science Foundation)國家光學紅外天文研究實驗室(NOIRLab)的陶德.羅爾(Tod Lauer)在與其他天文學家的通信中,寫下了他對此次發射的感受:「我沉浸在所有太空用語中最神聖的那一個單字裡:『一切正常!』(nominal)」他寫道,他指的是發射團隊在描述火箭運行一如預期時會使用的術語。

卡內基科學研究所(Carnegie Observatories)成員暨韋伯望遠鏡計畫的其中一位創辦人艾倫.德雷斯勒(Alan Dressler)回覆羅爾,「哈利路亞!另一個適用於此刻的神聖之詞,陶德。」

耶魯大學宇宙學家普里亞娃達.納塔拉真(Priyamvada Natarajan)從印度寄出的電子信件說她「真的是完全、完全地欣喜若狂!哇!哇!」

在巴爾的摩,韋伯任務的控制中心 —— 太空望遠鏡科學研究所(Space Telescope Science Institute),一小群科學家和 NASA 官員在發射時爆出一陣歡欣的尖叫和掌聲。

接著,該研究所的另一處,這場飛行任務的操作團隊看著韋伯啟動它的太陽能板,幾分鐘後,再啟動它的通訊天線。在韋伯望遠鏡飛行至月球外特定一點的旅程中,約有 100 位任務人員會指揮飛行器的展開情形,每 12 小時輪班一次,24 小時全天待命。

「他們有重要的工作要做,」該研究所所長肯尼斯.森巴赫(Kenneth Sembach)說道。「我們的團隊花了過去兩年時間,做了無數次演練。」

韋伯望遠鏡配備了紅外線或「熱輻射」的感應偵測裝置,它能以人眼從未見過的顏色描繪宇宙。

宇宙的膨脹讓可見光從最早、最遙遠的星系,轉換至更長的紅外線波長。

天文學家表示,研究這些新生星系的熱力,能夠提供一些重要線索:超級黑洞(supermassive black hole)是在何時、如何在星系中心形成?在更靠近地球的此刻,韋伯望遠鏡會探測在恆星附近運轉之行星的大氣層,尋找與生命有關的紅外線特徵要素或分子,像是氧氣與水。

天文學家指出,韋伯望遠鏡將會檢驗宇宙數十億年的歷史 —— 從第一批恆星在太陽系中出現算起。去年12月底,NASA 署長比爾.納爾遜(Bill Nelson)將這架望遠鏡稱為「通往過去的鑰匙孔」。

「這個了不起的例子代表著,當我們敢於做夢,就能完成大事,」他說。在望遠鏡發射後,他說,「這對行星地球而言,是偉大的一天。」

NASA 在美國國會的出資者們,密切關注韋伯望遠鏡的啟程。他們已為這項計畫堅持了數十年。

庫魯基地,發射團隊正在為韋伯望遠鏡升空做準備。(Bill Ingalls/NASA)

「今天,韋伯太空望遠鏡的成功發射,標誌著我們在天體物理與太空科學發展上的一個歷史里程碑,」德州眾議員暨眾議院科學、太空與科技委員會(House Science, Space and Technology Committee)主席艾迪.伯尼斯.強森(Eddie Bernice Johnson)在新聞稿中說道。

25 日的成功發射為長達 25 年來充滿不確定性、失誤和獨創性又代價高昂的努力,畫上了句號。韋伯望遠鏡的 18 個鍍金六邊型鏡面、先進的溫度控制器,和極為靈敏的紅外線感測器,在充滿成本超支和技術障礙的開發時程上,一件件組在一起。在此過程中,工程師必須發明 10 項新科技,好讓韋伯的靈敏度能遠遠超過哈伯望遠鏡。

2002 年,當 NASA 選擇斯洛普.格魯曼(Northrop Grumman)作為韋伯望遠鏡建造工程的主要承包商時,任務管理者估計,這將會花費 10 億至 35 億美元(約 276 億 1,750 萬至 966 億 5,425 萬元新台幣),並在 2010年 發射升空。過度樂觀的進度預測、偶發的開發意外,及混亂的成本匯報,讓開發時程延遲到了 2021 年,總成本暴漲至 100 億美元(約 2,761 億 7,500 萬元新台幣)。

就連它在發射台上的最後一階段,看上去也相當危險,由於庫魯火箭基地發生事故、電纜斷裂,及令人擔憂的氣候預測,韋伯望遠鏡的出發日持續延遲到了 12 月,直到聖誕節上午才終於發射。

「我今天非常開心,」歐洲太空總署署長約瑟夫.阿施巴赫(Josef Aschbacher)說道。但他補充,「這非常讓人緊張。我沒辦法每天執行發射任務。這會讓我短命。」

對天文學家和工程師而言,這次發射同樣充滿懸念。

「昨晚很難入睡,」天體物理學家暨諾貝爾獎得主亞當.里斯(Adam Riess)表示,他將會運用韋伯望遠鏡測量宇宙的膨脹率。

「現在是聖誕節早上 7 點,我醒著,所有人都很興奮 —— 這就是生孩子的感覺嗎?」芝加哥阿德勒天文館(Adler Planetarium)天文學家露西安.沃可維茲(Lucianne Walkowicz),以「他們」(註)代稱,在 Twitter 上寫道。他們接著寫:「太糟了,我要去睡了。」並在一封電子郵件中證實了他們真的有睡回籠覺,不過是在太陽能板展開之後。

但韋伯望遠鏡的發射本身,只是一段更危險旅程的第一步,天文學家和火箭工程師將它稱為「6 個月的焦慮」。

飛行半個小時後首先展開的太陽能板,是即將耗時長達1個月的一系列操作和展開之一,NASA 將這個過程稱為「344 次單點失敗」。

「太陽能電池板出現時,我終於可以再次呼吸,」NASA 副局長帕姆.梅羅伊(Pam Melroy)說道。「我們往後還會遇到非常多艱難的日子,但在發射工作完美進行前,你根本無法開始任何一件任務。」

天文學家們說道,最緊張的時刻之一,會是巨型遮光罩張開的時候,它就像一座網球場那麼大,是為了讓望遠鏡能保持在足夠陰暗、冷卻的環境中,這樣它本身的熱能才不會蓋過從遙遠恆星傳來的熱力。這面網子是由 5 個稱為 Kapton 的塑膠層組成,這種材質近似於聚酯樹脂,也和聚酯樹脂一樣脆弱。在韋伯望遠鏡演練期間,巨型防曬網在展開時偶爾會發生撕裂情況。

如果一切順利,天文學家將會在 2022 年夏天開始以一種全新角度看待宇宙。他們最期待的是那些他們未曾預料之事。就像 NASA 科學副局長湯瑪仕.朱布肯(Thomas Zurbuchen)近來說的:「每一次我們發射一個大膽的巨型望遠鏡,我們都會得到一個驚喜。而這一個,是至今規模最大、最大膽的。」

但如果在接下來幾週、幾個月之間,有任何問題出現,天文學界對於存在起源的觀點則可能因此變得岌岌可危。九〇年代,當哈伯望遠鏡的工作出現棘手問題時,NASA 派出太空人搭乘太空梭去進行維修工作。韋伯望遠鏡的目的地是在月球之外的一個地方,過去從未有任何太空飛行器搭載人類抵達(雖然梅羅伊說,必要的話,NASA 會考慮機器人維修任務)。

「我告訴我那些不是天文學家的朋友,在這次發射之後,你最希望的會是 30 天內全無消息,」里斯說道。「如果毫無音訊,我們真的會非常開心。」

註:為了表達個人的性別認同,許多英語使用者會告訴他人自己想被稱呼的「性別代名詞」,性別認同為女性時選擇 she/her,性別認同為男性時選擇 he/him,而無法以男性與女性劃分性別認同時,則選擇 they/them。

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