太空望遠鏡如何運作：鏡子、波長與觀測宇宙歷史

每部太空望遠鏡都有相同的基本工作：從微弱遠方的光源收集儘可能多的光線，並將其聚焦到偵測器上。如何收集光線以及可捕捉哪些波長，取決於鏡子的設計和望遠鏡在太空中的位置，根據NASA的望遠鏡科學概述。

為什麼要在太空中放置望遠鏡

地面望遠鏡透過地球大氣層觀測，其中變化的氣流會扭曲傳入的光線——這是導致星星閃爍的同樣效應。NASA的哈勃計劃頁面解釋，這種運動會模糊從地面拍攝的影像，大氣層也會在紫外線和紅外線輻射到達地表前吸收大部分。

哈勃以大約300英里的高度環繞地球軌道運行，避免了大氣層的模糊，並且能偵測到約比同等地面望遠鏡暗十倍的物體，NASA指出。太空望遠鏡也能連續觀測，不受天氣、日光或城市光污染的干擾。

鏡子，而不只是鏡頭

早期的望遠鏡使用玻璃透鏡彎曲光線，這種設計稱為折射式。NASA的《望遠鏡101》說明指出，大型透鏡變得沉重且難以發射，所以大多數現代望遠鏡是反射望遠鏡，改用曲面鏡，因為鏡子在相同尺寸下可以做得更薄更輕。

在典型的反射設計中，光線撞擊形狀像拋物面的大型主鏡並反射到較小的次鏡。特別是在詹姆斯韋伯太空望遠鏡上，NASA對韋伯鏡子的描述增加了另外兩個步驟：來自次鏡的光線反射到凹面三級鏡，然後到達平面精密導向鏡，最後到達科學儀器。

不同的望遠鏡，不同的光

可見光、紫外線和紅外線都可以用相似的鏡子形狀但不同的鍍膜聚焦。根據NASA對韋伯鏡子的描述，韋伯的18個六邊形主鏡段由鈹金屬製成，表面覆蓋100納米厚的金層，經過調整能有效反射紅外線。相比之下，NASA指出哈勃是為收集紫外線、可見光和近紅外線而製造的。

X射線的行為不同：它們會簡單地穿透或被普通鏡子吸收，就像子彈打中牆壁一樣，哈佛大學的錢德拉X射線中心解釋道。錢德拉的鏡子反而形狀像涂有銥的嵌套圓筒形筒，只在淺的「掠過」角度而非正面反射X射線，該中心表示。錢德拉使用四對嵌套鏡子，總共八面鏡子，經過拋光並調整至1.3微米以內。

伽馬射線能量甚至更高，直接通過傳統光學元件。NASA指出，伽馬射線望遠鏡如費米號改用偵測器追蹤伽馬射線撞擊鎢等緻密物質產生的粒子，從那些粒子軌跡重構射線的起點，而不是用鏡子聚焦射線。

位置為什麼重要：韋伯的遠處軌道

韋伯不像哈勃那樣近距離環繞地球運行。NASA的任務頁面指出，韋伯環繞第二個太陽-地球拉格朗日點L2運行，距地球約150萬公里，大約每六個月完成一圈。在該位置，太陽、地球和月球保持在航天器的一側，讓韋伯網球場大小的遮光板持續阻擋它們的熱和光。

這種防護至關重要，因為韋伯觀測紅外線光，本質上就是熱。NASA指出望遠鏡運行在極低溫——根據韋伯的軌道頁面約為華氏負370度——所以來自太陽或地球的任何散逸熱量都不會用紅外線噪聲淹沒偵測器並壓倒來自遠方星系的微弱信號。

看到過去，不只是遠處

因為光以固定、有限的速度傳播，向更遠的太空觀看意味著向更遠的過去看。NASA對韋伯的科學概述指出，望遠鏡能偵測到超過135億光年外星系的紅外線——意味著今天捕捉到的光線超過135億年前從那些星系發出，當時宇宙還很年輕。觀測光線實際上顯示物體在光線離開時的樣子，而不是它現在的樣子。

根據NASA的望遠鏡概述，韋伯攜帶四個科學儀器來分析那些古老的光：NIRCam和NIRSpec用於近紅外線成像和光譜學，MIRI用於中紅外線觀測，以及與NIRISS儀器配對的精密導向感測器。

從鏡子到地球上的影像

現代太空望遠鏡不使用攝影膠捲。NASA對望遠鏡如何工作的解釋指出，由鏡子聚焦的光落在電子偵測器上，它們將其轉換為數位信號。這些信號由船上的電腦儲存並傳輸到地球上的地面站，科學家在那裡將數據重構成公開發佈的影像。