太空望遠鏡與中美太空競爭

一、中美太空競爭是東西方民族文化較勁延伸 

    地球在太空中非常渺小，有如黃河中的一粒沙，由歷史趨勢來看，人類勢必要向太空發展，開拓新的廣大生存空間。地球上雖有許多國家與民族，但主要是西方歐美白種人與亞洲黃種人兩大文化體系在競爭，而亞洲科技領先的中日韓三國中，日韓都有美國駐軍受到美國控制，已不算是獨立自主的國家，更沒資格與美國競爭。中國大陸是世界上唯一有資格且有實力與美國競爭的國家，而源遠流長的中華文化正是優於西方歐美文化的競爭根基。美國早已看出中國是其唯一對手，因此全方位打壓及圍堵中國。中國大陸在太空拓展方面成就與美國不相上下，除了建設太空站、嫦娥計畫登陸月球取樣、天問一號登陸火星外，太空望遠鏡也是競爭項目，美國發展太空望遠鏡很早，1990年就發射了第一代哈伯太空望遠鏡，2021年又發射了第二代韋伯太空望遠鏡。而中國大陸起步較晚，預計於2023年發射第一個中國空間站望遠鏡，該望遠鏡口徑為兩米，與美國哈勃太空望遠鏡的口徑相當，而視場卻比哈勃太空望遠鏡大350倍。近日，中國載人航天工程辦公室主任郝淳介紹，中國計劃發射首個大型空間巡天望遠鏡即中國空間站望遠鏡，開展廣域太空觀測，未來它將與中國空間站共軌飛行，帶來全景式宇宙高清圖。該望遠鏡運行後將成為太空中最大的相機。 

   由於地球大氣層的干擾和吸收作用，包括X射線、伽馬射線和超長波等在內的許多光線都無法到達地面，只有在太空中才能接收到這些波段的信號。即使有些光線可以到達地面，但由於受到大氣和地面光污染的影響，地面接收到的信號也會受到干擾。將望遠鏡發射到太空中，就是為了避開大氣污染和地面光污染等因素的干擾，進行更為清晰的觀測。中國空間站望遠鏡的主要任務是幫助解答宇宙中的問題，如暗物質、暗能量是什麼，星系如何演化等，幫助人類更好地理解宇宙。中國空間站望遠鏡會給超過40%的夜空區域拍照，相當於把宇宙的一塊“切回來”放到地球上，這些圖像會被數字化，產生非常大的數據量，全球科學家都可以利用這些信息開展研究。中國空間站望遠鏡科學工作聯合中心主任劉繼峰表示，預計於2023年發射的中國空間站望遠鏡非常氣派，大小如大客車，立起來有三層樓高。從目前全球規劃來看，專家認為在2025年至2035年間中國空間站望遠鏡在其工作的近紫外至可見光波段內可能將是能力最強的太空巡天望遠鏡，其設計指標在很多方面都是世界領先的。該望遠鏡採用離軸光學系統，安裝了5台第一代觀測儀器，包括巡天模塊、太赫茲模塊、多通道成像儀、積分視場光譜儀、系外行星成像星冕儀。李然說，哈勃太空望遠鏡相機的探測器有手掌般大小，而中國空間站望遠鏡巡天模塊的主焦面是由30塊探測器拼起來的，每一塊都比哈勃的探測器更大，也具有更多的像素數。望遠鏡是精密的光學儀器，在距離地球400公里的軌道上運行，任務壽命10年，通過維修可以不斷延長其壽命。中國空間站望遠鏡巧妙地採用了與空間站組合體部分共軌飛行的方式，由於在一個軌道上運行，僅需消耗較少的燃料即可實現與空間站組合體部分的對接停靠。如果出了問題或者需要進行燃料補充、設備升級，可在地面指揮中心的引導之下，對接到空間站組合體部分上，由常駐密封艙內的航天員出艙，將故障設備或需要更新的設備進行維修更換。 

二、哈伯與韋伯太空望遠鏡 

    美國第一代哈伯太空望遠鏡自1990年服役以來利用長時間曝光，能夠顯示出星系形成初期、一些年輕熾熱星球的影像。哈伯太空望遠鏡主要是觀察可見光，但是因為太空望遠鏡的口徑太小，再加上自身所產生的熱源會造成紅外光被干擾。所以美國國家航空暨太空總署( NASA）聯合歐洲太空總署及加拿大建造量測紅外光的韋伯太空望遠鏡。30多年來，哈勃太空望遠鏡為地球帶來了宇宙的奇蹟、美麗和奧秘，用光旋轉圖像，改變了我們對宇宙的理解。儘管哈勃的鏡子比最大的地面天文台中的鏡子小得多，但望遠鏡在地球大氣層上方的獨特位置使其具有令人難以置信的清晰度。哈勃望遠鏡發現了超大質量黑洞，並幫助繪製了星系團周圍難以捉摸的暗物質的地圖。但它最奇怪的發現之一是揭示了宇宙的膨脹正在加速，這是由一種仍然未知且以前未知的“暗能量”的存在所驅動的。去年底升空的韋伯太空望遠鏡（JWST）拍下的大麥哲倫星雲的照片畫面非常清晰。最強大的韋伯太空望遠鏡耗資百億美元預計今年7月開工，是史上最貴、最強大的太空望遠鏡，韋伯太空望遠鏡觀察光譜中的紅外線波段，可以觀察到系外行星的大氣組成，進一步提供生命存在的證據。韋伯太空望遠鏡還可以觀測到宇宙誕生初期的第一批星系，可望開啟天文探索的全新世代。太空望遠鏡是人類目前探索宇宙起源的利器，由於光線的傳遞需要時間，我們當下所看到的物體已經不在它原先的位置上，甚至連模樣可能都會有所不同，天文學家利用天文望遠鏡可以進入時光隧道，去探索星球的生滅、並期望瞭解宇宙的起源。天文物理學家們認為宇宙是在不斷的澎漲，所以光源也不斷的在遠離地球，所以星球原先發出的可見光，經過百億光年的傳播會被拉長成為紅外光，這種紅移現象和都卜勒效應類似。 

    韋伯太空望遠鏡的結構由四大部分組成：光學組件（OTE）、科學儀器模組（ISIM）、遮光罩（Sunshield）、飛行器（Spacecraft bus）。光學主鏡由18片六角形的鏡片組成，鏡片是由鍍金的鈹製成。鈹元素質量輕在低溫硬度鋼性大不易變形。鍍金是因為黃金對紅外光的反射效果好。韋伯太空望遠鏡的另一特色是它的遮光罩設計。韋伯太空望遠鏡是紅外光望遠鏡，所以它的溫度必須保持在攝氏零下233度左右。韋伯太空望遠鏡共有五層、網球場面積的遮光罩，是由薄如髪絲的Kapton 薄膜製成，並在正反兩面鍍上鋁膜，而且在靠近太陽的兩層向陽面又加鍍了一層經摻雜的硅可將太陽輻射反射回去。因為在太空，五層之間2-10吋的空隙可以作為最好的熱傳真空絕緣。絕大部分的太陽光在第一層就被擋住了，因爲吸收陽光而升溫的光罩熱能也可以輻射的方式反射出去。韋伯太空望遠鏡於2021年12月25日搭乘歐洲的亞利安5號火箭昇空，進入第二拉格朗日點軌道。拉格朗日點是在日地引力場中有五個地方的綜合引力與物體繞日飛行的離心力相同，週期與地球公轉一致，所以隨著五個拉格朗日點飛行會最省燃料。韋伯太空望遠鏡選擇離地球150萬公里的L2 軌道，主要是因為這個軌道離太陽遠、離地球近、而且是在地球的背光面。韋伯太空望遠鏡軌道除了隨著地球繞太陽公轉外，也以日地連線為中軸以L2點為中心，沿著距離為100 x 200地球半徑的「日暈軌道」飛行。目前韋伯太空望遠鏡已經進入預定軌道並逐步調整儀器，預期這一部耗資100億美金，集合當代最先進製造工藝的太空望遠鏡可以一窺原始宇宙的奧祕。 

三、未來發展 

    剛把韋伯太空望遠鏡成功送入軌道，美國NASA又在規的更新一代太空望遠鏡，預計2027年發射升空。據新聞週刊報導，NASA正在籌備的下一代羅曼太空望遠鏡獲得政府5億美元撥款。羅曼太空望遠鏡是像哈勃望遠鏡一樣觀測可見光波段的望遠鏡，視角將達到哈勃望遠鏡的200倍。這意味著這部望遠鏡能很快拍攝出哈勃望遠鏡需要幾百年時間才能完成的大範圍太空圖像。此新望遠鏡的敏感度很高，能夠分辨抵達鏡頭的逐個光子。這是目前任何一個可見光觀測設備都達不到的敏感度。有液態水存在的、具有岩石地面的系外行星一直是科學家最感興趣探索的外星世界，因為這樣的世界裡面有類似地球這樣形式生命的幾率很高。具有對光子高敏感度的望遠鏡更容易找到這類系外行星。NASA表示，這個新一代望遠鏡探索具有宜居環境系外行星的能力比現有的望遠鏡提升了一大層次。不僅如此，NASA說這個望遠鏡對於探索暗能量和暗物質也很有幫助。這仍是現代天文學上兩大謎題。主流理論都認為應該存在這兩種概念的物質，但是迄今的各種探測都未能提出確鑿的證據。使用這個新望遠鏡的大廣角優勢，科學家能更好地研究宇宙中大型結構的誕生過程，進一步洞察星系和暗物質的演化規律、以及暗能量究竟如何推動宇宙的膨脹。 

   2021年9月羅曼太空望遠鏡已經通過了設計審核，現在已經處於建造和測試階段。五個月前，NASA成功發射了韋伯太空望遠鏡，未來幾個月裡，科學家就會開始陸續收到它的觀測數據。NASA今年給韋伯望遠鏡的撥款預算為1億745萬美元，遠低於給這部新的羅曼太空望遠鏡的撥款。NASA計劃羅曼太空望遠鏡的總耗資不要超過35億美元，而韋伯望遠鏡耗資已經超過100億美元。羅曼太空望遠鏡原來名為大視場紅外巡天望遠鏡。2020年，為紀念被尊稱為「哈勃望遠鏡之母」的總工程師南希·格蕾絲·羅曼而更名為「羅曼太空望遠鏡」。