神奇的韦伯红外线太空望远镜

2023年9月下旬，媒体报导韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope；JWST）探测到木星的第二号卫星（木卫二，Europa）的表面冰层，有二氧化碳的踪迹。

科学家长期以来认为在木卫二及土卫二（土星的第二颗卫星），其表面冰层下因为引力的作用，存在着丰富的海水。这两颗卫星是太阳系内除了地球外，最有可能存在生命的星球。

土卫二在先前已有NASA卡西尼（Gassini）太空船飞越，侦测到其表面有碳、氢、氧、氮甚至磷等，构成生命必要元素，而此次木卫二是经由太空望远镜的观测而获得。

韦伯太空望远镜自从2022年发射升空后，除了提供了更遥远星际的清晰影像外，由于其主要观测的光谱位于近红外线（near IR；NIR，波长0.6～5微米），及中红外线（Mid-IR；MIR，波长5～28微米），可见光波长是在0.4～0.7微米，因此对于天文学家研究宇宙的形成、星系的演化及探测可能的生命，提供必要工具。除了影像的提供外，韦伯太空望远镜也内建分光仪，可以做光谱分析，恒星的发射光谱或者行星的吸收光谱，举凡二氧化碳、氢分子或者甲烷等，都逃不过它的利眼。

韦伯太空望远镜是如何做到的？

这个伟大的计划是为了接续第一代的哈伯（Hubble）太空望远镜而成立，从构想到实现超过20年的功夫，总耗费100亿美金，由美国、欧洲及加拿大三个太空单位合力所完成。韦伯太空望远镜是为了纪念美国在执行登月阿波罗计划时期，NASA的主管James Webb而命名。韦伯与哈伯除了侦测的光谱不同外，哈伯以可见光为主，两者所运行的轨道也不一样。哈伯是位于地球上空约550公里的高度，相当于现在低轨卫星的距离；韦伯太空望远镜却是位于离地球150万公里的超高空，是月球与我们距离的4倍远。

为何会放在那麽远的太空？

原来那个区域是个所谓被引力遗忘的角落。十八世纪2位伟大的数学家Leonhard Euler以及Joseph-Louis Lagrange，已计算出在地球运行的轨道面，有5个区域是太阳与地球引力互相抵消的地方，这150万公里的高空是离我们最近，且同时可以背对着太阳、地球及月球，可以避免三者所造成的光害。哈伯因位于低轨道，因此时时受到这三个星球不同引力的影响，需要使用燃料喷气，来调整望远镜本体的姿态及角度。韦伯没有此一限制，可以让望远镜的生命周期更久。

但是低轨道的哈伯是太空梭可以抵达的地方，可以进行必要维修，韦伯可就没有这个福分了。记得哈伯在刚运作时，影像是模糊的，原因是镜片有2微米的误差，后来是透过太空梭及太空人实施必要更换，方能正常运作。

韦伯的核心是NIR以及MIR镜头，这两段光谱是如何被吸收而转换为电信号，传回到地球？

这里就牵涉到2种不同的半导体材料。作为红外线的光侦测器，这分别是NIR的碲化汞镉（Hg1-xCdxTe；MCT）以及MIR的Si（As doped）。MCT乃化合物半导体，一般大众所熟悉的化合物半导体是IV-IV（四四族）的SiC, SiGe，或者III-V（三五族）的GaAs、GaN，而MCT却是II-VI（二六族）。II-VI族半导体其共价键愈弱，而离子键愈强，因此不论在晶体或磊晶的成长，或是在制作元件上就更具有挑战性。这两种红外光侦测元件，分别是由２家位于美国加州，专业于光侦测器的公司所研发完成。

MCT藉由改变x的组成，也就改变半导体的能隙（bandgap），因此可将光侦测元件的吸收光谱的临界值，由波长0.8微米（x=1）调整到5微米（x=0.3）；Si（As）则是利用砷掺杂在矽半导体内，所需要的游离位能（30-40 meV），当作MIR的吸收能阶，使得元件得以吸收28微米的红外光。

然而这2种红外光的侦测器，都得在极低的温度下操作，尤其是Si更是需要在绝对温度10K以下的超低温工作。韦伯在面对太阳的一面，温度常会超过摄氏50度，科学家们利用特殊的材料，制作出大面积且极薄的光罩版，阻绝太阳的光及热，使得在很短的距离内，温度可以下降300度，让这两类的红外光侦测器，才得以正常的工作。

30年前当笔者刚任教于国立中央大学，参与部分中研院天文所的无线电天文望远镜的计划，时任中大校长的刘万亿汉先生就告诉我，天文观测所使用的技术都是最尖端的科技，刘校长本身是位太空科学专家。这件事发生在中研院的次毫米波无线电天文阵列上，也同时见证于韦伯红外线太空望远镜上。