太空望遠鏡如何看到地面觀測站無法看到的東西

來自恆星和星系的光以多種形式穿越宇宙，不僅僅是人眼能看到的可見顏色。紫外線、紅外線、X射線和伽馬射線光攜帶有關炙熱年輕恆星、寒冷塵埃雲、爆發恆星和黑洞的信息。然而，根據美國宇航局科學與歐洲航天局(ESA)，地球大氣層在光到達地面前吸收或擾亂了大部分光線。

為什麼地球大氣層是一道屏障

ESA解釋說大氣層為紅外天文學帶來了兩個獨立的問題。首先，它直接吸收大部分紅外波長，只讓少數窄波段到達地基望遠鏡。其次，大氣層本身在紅外線中發光，通常發出的輻射量比天文學家試圖研究的微弱宇宙物體還多，這將信號淹沒在噪聲中。

ESA還指出大氣層阻擋了大部分高能和紫外輻射，包括X射線、伽馬射線和大部分紫外線。美國宇航局指出其X射線觀測站錢德拉軌道高度達到約139,000公里(86,500英里)—約為哈勃的200倍高度—這是專門因為X射線永遠無法到達地表。

將望遠鏡移到大氣層上方，或遠離地球，可以一次解決兩個問題：沒有空氣來吸收光線，也沒有大氣發光來淹沒它。

不同的望遠鏡，不同的光

每個主要太空天文台都是針對光譜的特定部分進行調整的。根據美國宇航局科學，哈勃於1990年發射，主要觀測紫外線和可見光(0.1至2.5微米)，並在地球上方約300英里(483公里)運行，仍在偶爾維修任務的範圍內。詹姆斯·韋伯太空望遠鏡於2021年12月發射，是為紅外光而建造的，位置更遠，靠近第二拉格朗日點(L2)，距地球約一百萬英里，在那裡它自己的熱和地球的熱無法干擾它試圖檢測的微弱紅外信號。

韋伯的主鏡跨度為6.5米(21.3英尺)，相比之下哈勃的鏡面為2.4米(7.9英尺)，給予它超過六倍的集光面積。美國宇航局科學指出韋伯可以檢測到比哈勃能看到的暗100倍的物體。因為宇宙膨脹將來自最遠、最早星系的光拉伸到紅外波長—紅移效應—韋伯的紅外敏感性使其能比哈勃的紫外和可見儀器看得更遠。

韋伯攜帶了用於不同紅外波段的專用儀器。根據美國宇航局科學儀器頁面，其近紅外相機(NIRCam)涵蓋0.6至5微米，是韋伯的主要近紅外成像儀。中紅外儀器(MIRI)涵蓋5至28微米，結合了相機、分光儀(將光分成光譜以測量每個波長的亮度)和日冕儀(阻擋恆星的眩光以便看到附近較暗的行星)。MIRI需要額外的低溫冷卻器以保持比觀測站其他部分更冷，以便其探測器不會被韋伯自身的殘留熱所蒙蔽。

並非每個太空天文台都能產生圖像。根據ESA的蓋亞任務頁面，ESA的蓋亞航天器於2013年12月19日發射，駐紮在L2附近，正在建立一個異常精確的三維圖，涵蓋銀河系中超過20億顆恆星，追踪它們的運動、光度、溫度和組成。ESA表示蓋亞的位置精度相比其前身仙女座衛星提高了100倍；該任務在2024年遭遇傳感器和微流星問題後進入後期運作階段。

在光譜的高能端，美國宇航局的錢德拉X射線觀測站於1999年7月23日發射，根據美國宇航局的天文生物學任務頁面，檢測來自極其熱現象的X射線：爆發的恆星、星系團和圍繞黑洞旋轉的物質。

將各部分組合在一起

ESA的赫歇爾項目科學家戈蘭·皮爾布拉特描述了紅外觀測對研究恆星和行星如何形成的價值：「通過在紅外線中觀測，我們可以研究事物是如何形成的，最早期的步驟，因為形成過程通常發生在涼爽和塵埃飛揚的地方，」根據ESA，他說道。紅外光穿過阻擋可見光的塵埃雲，使得韋伯的NIRCam和MIRI等儀器能看到隱藏在星雲內的新生恆星和行星。

因為沒有單一的望遠鏡涵蓋整個光譜，天文學家通常結合來自多個觀測站的數據。美國宇航局科學將哈勃和韋伯描述為互補夥伴而非對手：韋伯更深層的紅外視覺穿透塵埃和氣體，而哈勃的可見和紫外視覺補充韋伯的紅外視圖，共同產生了對同一物體的更廣泛視圖。