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高考申論題 112年 [天文] 天文觀測

第 一 題

📖 題組:
韋伯太空望遠鏡(James Webb Space Telescope; JWST)口徑為6.5公尺,位於地日L2軌道區域,所配置的中紅外相機工作波段最長約26 μm。
📝 此題為申論題,共 3 小題

小題 (一)

估計JWST在此中紅外波段的光學繞射極限(角分辨力)為多少角秒?假設天體近似黑體,何種溫度的天體在此波段輻射最強?(10分)

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看到本題應立刻聯想到光學儀器的「瑞利準則(Rayleigh Criterion)」來求繞射極限,並注意需將算出的弧度(radian)轉換為角秒(arcsec)。第二部分則是經典的「維恩位移定律(Wien's Displacement Law)」,利用峰值波長直接反推黑體溫度。

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【解題關鍵】本題需運用瑞利準則(Rayleigh Criterion)求光學繞射極限,以及維恩位移定律(Wien's Displacement Law)求黑體輻射峰值溫度。 【解答】 計算:Step 1 估算光學繞射極限(角分辨力)

小題 (二)

和地表同樣口徑6.5公尺的望遠鏡相比,位於太空的JWST有何優勢?何謂L2區域?在此區域的望遠鏡有何優勢與限制?(10分)

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看到本題應先聯想「大氣層對天文觀測的干擾(大氣吸收、視寧度、熱輻射背景)」,進而帶出太空望遠鏡在紅外波段的絕對優勢。接著根據天體力學定義第二拉格朗日點(L2),並從熱穩定性、觀測連續性分析其軌道優勢,最後由軌道特性(距離遠、不穩定平衡)切入討論維修與燃料限制。

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【破題】本題測驗大氣效應對紅外觀測之限制,以及軌道選擇對太空望遠鏡熱控環境與任務壽命之影響。 【論述】 一、太空望遠鏡(JWST)相較地面6.5公尺望遠鏡之優勢

小題 (三)

哈伯太空望遠鏡也位於太空,JWST除了口徑更大、位置更優越,另外是觀測的波段也更長。以長波優勢而言,JWST有那些特定科學課題,是哈伯望遠鏡無法達成的?(10分)

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看到此題,應立即將「長波長(中紅外線)」與三大天文物理現象連結:宇宙膨脹導致的紅移(高紅移星系)、粉塵消光定律(穿透星際塵埃)、以及維恩位移定律(低溫天體熱輻射)。接著將這三個物理特性對應到具體的科學觀測目標(早期宇宙、恆星形成、系外行星),即可完整作答。

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【破題】 韋伯太空望遠鏡(JWST)擁有延伸至 26 μm 的中紅外線觀測能力,突破了哈伯太空望遠鏡(HST,主要波段為紫外、可見光至近紅外線約 1.7 μm)的光譜限制。此長波優勢在物理上對應「高紅移」、「低消光」與「低溫輻射」三大特性,使 JWST 能達成以下哈伯無法企及的科學課題。 【論述】

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