看見宇宙的第一縷光：詹士韋伯太空望遠鏡是怎樣改寫天文課本的？

想像一下，你走進一間燈光極暗的房，手上拿著一部對紅外線特別敏感的相機，能看見肉眼看不到的微弱熱光。你不但能看見角落裡剛熄滅不久的蠟燭殘光，還能透視薄霧後面的人影。詹士韋伯太空望遠鏡（James Webb Space Telescope，簡稱 JWST）就像這部「宇宙紅外線相機」，把宇宙最早期、最微弱、被塵埃遮蔽的光，一點一滴地收集起來，讓我們第一次有機會看清宇宙嬰兒期的面貌，以及恆星與行星誕生的現場。

為什麼需要 JWST？哈勃望遠鏡不夠嗎？

很多香港朋友會問：哈勃太空望遠鏡（Hubble）不是已經很勁了嗎？當然，哈勃在可見光與近紫外線的觀測上無可取代，也對宇宙學做出巨大貢獻。但宇宙在「最早期」發出的光，經過上百億年的宇宙膨脹，被「拉長」成紅外線（Infrared）。同時，恆星形成區域裡有大量星際塵埃（Dust），會擋住可見光，卻較容易讓紅外線穿透。這兩個原因，使得要看得更早、更深、更內部，我們就需要一部「紅外線主導」的望遠鏡，且感光度要超高、噪音要極低。

JWST正是為此而生。它的主鏡直徑達到 6.5 公尺，比哈勃的 2.4 公尺大很多，收光能力（光子收集）大幅提升。更重要的是，它的科學儀器專注於近紅外（Near-Infrared, NIR）到中紅外（Mid-Infrared, MIR）波段，能觀測到宇宙最遙遠星系的「紅移」（Redshift）後的光，也能透視塵埃雲中的恆星育嬰室。

飛去哪裡？為什麼不繞地球？

哈勃在低地球軌道（LEO），方便太空梭維修，但地球很亮、很暖，對紅外線觀測不是理想環境。JWST被送往日地系統的第二拉格朗日點（L2），距離地球約 150 萬公里，位於地球背向太陽的一側。這個位置的好處是：

• 熱與光源在同一方向（太陽、地球、月亮大致在同一側），便於用遮陽罩（Sunshield）阻隔。
• 熱穩定環境更佳，避免紅外線儀器被自身或外界熱輻射「照花」。
• 可長時間持續指向同一片天空，提升深度觀測效率。

當然，L2不是「完美平衡點」，JWST需要定期進行「軌道維持」（Station-keeping）微調，保持在 L2 周圍的晝面軌道（Halo orbit）。

像金色花瓣的主鏡：設計有何門道？

JWST最標誌性的外觀，就是由 18 塊金色六邊形鏡面組成的主鏡。這些鏡片由鈹（Beryllium）製成，表面鍍上一層超薄黃金，因為金對紅外線反射效率高。六邊形拼接（Segmented mirror）有幾個關鍵優點：

• 可折疊發射：6.5 公尺的主鏡太大，必須在火箭整流罩內摺疊，入軌後再展開。
• 可精準校準：每片鏡都有微動致動器（Actuators），能以納米級（Nanometer）改變位置和曲率，把 18 幅影像疊合成一個完美焦點。
• 熱穩定佳：鈹在極低溫依然堅挺且質輕。

這種分段主鏡配合波前感測（Wavefront sensing）與相位校正（Phasing），讓 JWST在太空中「自己對焦」。人手無法去到 L2維修，所以一切校準都靠遙控算法與精密機械。

巨型五層遮陽罩：讓望遠鏡「冷到發抖」

紅外線觀測有一個殘酷現實：任何東西只要有溫度，就會發出紅外線，包括望遠鏡自己。要看見微弱的宇宙紅外線，儀器本身必須冷得近乎「不發聲」。JWST的解法是「被動冷卻」（Passive cooling）。它的五層遮陽罩像一把超巨型的銀色摺扇，層與層之間逐級把太陽與地球的熱輻射反射與散熱，最冷那一面可降到約 40 K（-233°C）。

這樣的低溫讓近紅外儀器（NIRCam、NIRSpec、FGS/NIRISS）能以極低熱噪音工作。但對中紅外儀器 MIRI（Mid-Infrared Instrument）而言，還要更冷，於是配備了機械式冷凍機（Cryocooler），把 MIRI 降到約 7 K。這種「被動＋主動」雙軌冷卻，使 JWST能在 0.6–28 微米的波段維持高靈敏。

四大科學儀器：各司其職

JWST搭載四套主要科學儀器，每套像一部「專用鏡頭」，合力完成多面向科學任務：

• NIRCam（Near-Infrared Camera）：主力成像儀，負責高靈敏近紅外攝影，也是波前感測與校準的關鍵。擅長拍「超深場」（Ultradeep field）、恆星育嬰室、近鄰星系結構等。
• NIRSpec（Near-Infrared Spectrograph）：近紅外光譜儀，能同時對上百個目標取光譜，靠的是微型快門陣列（Micro-Shutter Array, MSA），像一幅可編程的「光學百葉窗」。光譜讓我們量度紅移、金屬量（元素豐度）、恆星形成率等。
• FGS/NIRISS（Fine Guidance Sensor / Near-Infrared Imager and Slitless Spectrograph）：FGS負責精準導星，讓長時間曝光不會「手震」；NIRISS則提供無狹縫光譜（Slitless spectroscopy）與特殊模式，如觀測系外行星的凌日光譜。
• MIRI（Mid-Infrared Instrument）：中紅外成像與光譜，對冷塵埃、分子雲、原行星盤（Protoplanetary disks）及高紅移星系的塵輻射特別敏感。

看見多早？「宇宙黎明」與高紅移星系

宇宙年齡現今約 138 億年。JWST的其中一個核心目標，就是捕捉「第一批星系」在宇宙不到 5 億年時的樣子，這段時期常稱為「宇宙黎明」（Cosmic Dawn）與「再電離時期」（Epoch of Reionization）。

當我們說「看到 132 億年前的星光」，其實是指光在路途花了 132 億年才抵達我們。宇宙膨脹令波長被拉長，紅移值（z）很高，例如 z > 10 的星系，其主要光譜特徵（例如 Lyman-α 斷裂）已被移到近紅外甚至中紅外。這剛好落在 JWST的主場。

JWST早期科學就發現了一批極高紅移候選星系，部分經光譜確認達 z≈13–14。這些對宇宙學模型是「壓力測試」：這麼早期的星系為何能長得這麼快、這麼亮？是恆星形成效率很高，還是塵埃與恆星族群的性質不同？天文學家正用 NIRSpec與MIRI光譜資料，拆解這些星系的恆星年齡、金屬量與氣體動力學。

塵埃幕後的育嬰室：恆星誕生與原行星盤

如果你曾在霧天開車，會知道近燈比遠燈更好用，因為霧會散射可見光；紅外線就像「穿霧燈」。星際塵埃對可見光不友善，卻讓紅外線有機會透視。JWST利用這點，為我們打開恆星形成區的「後台」。

在獵戶座分子雲、船底座等地區，JWST拍到原行星盤中的空隙與環帶，並以 MIRI偵測多環芳香烴（PAHs）與各種分子發射，追蹤塵埃顆粒成長、冰（H2O、CO2、CH4等）沉積與化學演化。這些觀測能回答：行星在多長時間尺度內成形？水與有機分子如何由星際雲一路被送進行星系統？這些都是理解「我們從哪裡來」的關鍵線索。

系外行星的大氣：用「指紋」讀出化學成分

香港人愛旅行，過關要查身份；光也一樣，經過行星大氣會留下「通關章」。當行星從母恆星前方掠過（凌日，Transit），星光一部分穿過行星大氣，某些波長被分子吸收，形成吸收線；若行星從背後走到恆星後面（次凌，Secondary eclipse），我們能用差值量出行星自身熱發射。這些方法統稱「凌日光譜學」（Transit spectroscopy）。

JWST的近紅外與中紅外儀器能同時量度水（H2O）、二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、一氧化碳（CO）、硫化氫（H2S）等分子的特徵吸收。早期觀測已在多顆熱木星（Hot Jupiters）與迷你海王星（Sub-Neptunes）的大氣中看到清晰分子訊號，甚至偵測到雲霧分佈與溫度層結。這類資料能反推行星的形成地點（例如在冰線內或外形成）、遷移歷史與內部能量收支。

至於類地行星（地球大小）的氣氛偵測更具挑戰，因為訊號微弱且恆星活動會干擾。JWST正聚焦於繞行小型、較暗的紅矮星（M矮星）系統，如 TRAPPIST-1，嘗試在多次凌日疊加下逼近可檢測門檻。即使未能立刻看到「生命指標」，我們也在快速建立對岩石行星大氣的基本統計。

引力透鏡：用宇宙當望遠鏡

愛因斯坦的廣義相對論告訴我們，重力會彎曲時空，光走過質量集中的地方會被偏折。當前景的星系團像是一塊「宇宙放大鏡」，會把更後方的微弱星系放大、拉長成弧。JWST把這種「引力透鏡」（Gravitational lensing）用到極致，能把本來太暗看不見的早期星系放大到可測量的亮度，甚至解析出內部結構。

這種自然加持的「光學增益」不但幫助我們看到更早期的天體，也讓天文學家能測試暗物質（Dark matter）的分佈，因為透鏡影像的形狀與放大倍數會對前景質量分佈十分敏感。

數據不是 JPEG：背後的校正與管線

你在新聞看到的 JWST 圖片絢麗奪目，但原始資料其實像「灰黑的生相片」。從光子打在探測器（Detector）開始，到你我看到的彩色圖，需要一條嚴謹的資料處理管線（Data reduction pipeline）：

• 探測器效應校正：包括暗電流（Dark current）、非線性、壞像素、串擾、1/f 噪音等。
• 背景與雜散光處理：扣除天空背景、熱輻射貢獻與光學鬼像（Ghosts）。
• 光譜抽取與通量定標（Flux calibration）：把像素轉成實際能量與波長，並校正儀器響應。
• 成像合成（Drizzling/Resampling）：把多張偏移拍攝的影像拼合，提高解析度、減少雜訊。

最後的彩色圖多半是「指派色」（Color mapping）：把不同濾鏡或波段賦予紅、綠、藍通道，再經過對比拉伸與動態範圍調整。這種做法不等於「造假」，而是把人眼看不到的紅外線訊息，翻譯成我們能理解的顏色語言，同時保留科學量度所需的數值版本。

工程賭注：一次性展開的風險與成功

JWST是一場高風險工程。發射後需完成超過 300 個單點失敗（Single point of failure）的展開與鎖定步驟，包括遮陽罩放開、拉緊、鏡面展翼翻開、次鏡架伸出、每片鏡面初步定位等。任何一道卡住，都可能前功盡棄。團隊透過冗餘感測、地面演練與分段驗證，把風險壓到最低。2021 年底發射後，一切展開順利，接著是數月的冷卻、對焦與儀器調試，才正式開始科學運作。

在成本方面，JWST耗時超過二十年、投入數百億港元級別資金，這常引發公共討論：值不值得？從科學輸出與技術外溢（例如紅外探測器、低溫工程、精密控制）來看，它像一個「前沿平台」，帶動整個學術與工業鏈的升級。

它和我們有什麼關係？從宇宙到生活的連結

有人會說，宇宙很遠，跟生活有何關係？其實，JWST背後的很多技術，會回流到地面應用：高靈敏紅外線感測可用於醫療成像、環境監測；低溫工程與熱控技術改良航天與晶片散熱；資料處理算法推進電腦視覺與大數據分析。而從文化角度，JWST為人類建立共同的宇宙圖像，像一面鏡子提醒我們：在 138 億年的時間軸上，地球文明只是剛剛「打開燈」，更需要謙卑合作。

常見迷思澄清

• JWST能拍到「外星人」嗎？——不能直接「拍到外星人」。它能分析系外行星大氣，尋找某些化學指標（如不平衡氣體組合）可能暗示生物過程，但這需要多項證據交叉驗證，遠非一張照片能定案。
• 為什麼圖像是金色或彩色？——因為觀測的是紅外線，人眼不可見。科學家用不同波段賦色，既方便展示不同物理過程，也讓我們在可視範圍理解結構。
• JWST會取代哈勃嗎？——兩者互補。哈勃在紫外與可見光仍然無可替代，JWST在紅外線極致敏感。把兩者資料合併，能得到跨波段的全景。

香港觀星迷可以怎樣參與？

即使不做研究，你也能參與 JWST 的成果探索：

• 公眾資料庫：NASA/ESA 的 Mikulski 天文資料檔案館（MAST）會在專案保留期後公開數據。你可下載 FITS 檔，嘗試用免費軟件（如 ESA 的 ESASky、SAOImage DS9、astropy）做基本處理。
• 公民科學：平台如 Zooniverse 不時開設與 JWST 相關的影像分類專案，幫助研究團隊尋找弧形透鏡影像、原行星盤結構等。
• 本地講座與線上分享：留意本地天文學會、科學館與大學的公開講座，許多都會解讀最新 JWST 發現。

下一步：從「第一光」走向精細物理

JWST的早期驚喜已把我們的問題清單越寫越長：為何早期星系這麼「成熟」？第一代恆星（Population III）是否已留下金屬蹤跡？黑洞在宇宙嬰兒期如何長得如此迅速？未來數年，天文學家會用更長的曝光、更精細的光譜與統計樣本，從「發現型」科學過渡到「測量型」科學，建立穩健的宇宙演化時間線。

同時，系外行星大氣光譜將從熱木星，推進到溫暖的迷你海王星、超級地球（Super-Earths），甚至嘗試對岩石行星的二氧化碳與水蒸氣作上限約束。配合地面超大望遠鏡（ELT、TMT、GMT）與未來的羅曼太空望遠鏡（Roman Space Telescope），我們正走向一個「多平台協同」的黃金年代。

結語：把宇宙時間放進我們的口袋

JWST讓我們第一次把宇宙最初幾億年的「微光」收進口袋，把被塵埃遮住的恆星誕生劇場打亮，也把遙遠行星天空中的分子「指紋」放到顯微鏡下。對於在香港這樣繁忙城市生活的我們，也許最重要的，是它帶來的視野轉換：當你在維港邊抬頭望向夜空，那些昏黃路燈之外的黑暗，其實充滿訊息，只是需要合適的眼睛去看。JWST正是人類為自己打造的一雙新眼，讓我們在廣闊宇宙中找到位置、提出更好的問題，並在追問的路上，學會更耐心、更專注，也更彼此相依。