神奇的韋伯紅外線太空望遠鏡

2023年9月下旬，媒體報導韋伯太空望遠鏡（James Webb Space Telescope；JWST）探測到木星的第二號衛星（木衛二，Europa）的表面冰層，有二氧化碳的蹤跡。

科學家長期以來認為在木衛二及土衛二（土星的第二顆衛星），其表面冰層下因為引力的作用，存在著豐富的海水。這兩顆衛星是太陽系內除了地球外，最有可能存在生命的星球。

土衛二在先前已有NASA卡西尼（Gassini）太空船飛越，偵測到其表面有碳、氫、氧、氮甚至磷等，構成生命必要元素，而此次木衛二是經由太空望遠鏡的觀測而獲得。

韋伯太空望遠鏡自從2022年發射升空後，除了提供了更遙遠星際的清晰影像外，由於其主要觀測的光譜位於近紅外線（near IR；NIR，波長0.6～5微米），及中紅外線（Mid-IR；MIR，波長5～28微米），可見光波長是在0.4～0.7微米，因此對於天文學家研究宇宙的形成、星系的演化及探測可能的生命，提供必要工具。除了影像的提供外，韋伯太空望遠鏡也內建分光儀，可以做光譜分析，恆星的發射光譜或者行星的吸收光譜，舉凡二氧化碳、氫分子或者甲烷等，都逃不過它的利眼。

韋伯太空望遠鏡是如何做到的？

這個偉大的計畫是為了接續第一代的哈伯（Hubble）太空望遠鏡而成立，從構想到實現超過20年的功夫，總耗費100億美金，由美國、歐洲及加拿大三個太空單位合力所完成。韋伯太空望遠鏡是為了紀念美國在執行登月阿波羅計畫時期，NASA的主管James Webb而命名。韋伯與哈伯除了偵測的光譜不同外，哈伯以可見光為主，兩者所運行的軌道也不一樣。哈伯是位於地球上空約550公里的高度，相當於現在低軌衛星的距離；韋伯太空望遠鏡卻是位於離地球150萬公里的超高空，是月球與我們距離的4倍遠。

為何會放在那麼遠的太空？

原來那個區域是個所謂被引力遺忘的角落。十八世紀2位偉大的數學家Leonhard Euler以及Joseph-Louis Lagrange，已計算出在地球運行的軌道面，有5個區域是太陽與地球引力互相抵消的地方，這150萬公里的高空是離我們最近，且同時可以背對著太陽、地球及月球，可以避免三者所造成的光害。哈伯因位於低軌道，因此時時受到這三個星球不同引力的影響，需要使用燃料噴氣，來調整望遠鏡本體的姿態及角度。韋伯沒有此一限制，可以讓望遠鏡的生命週期更久。

但是低軌道的哈伯是太空梭可以抵達的地方，可以進行必要維修，韋伯可就沒有這個福分了。記得哈伯在剛運作時，影像是模糊的，原因是鏡片有2微米的誤差，後來是透過太空梭及太空人實施必要更換，方能正常運作。

韋伯的核心是NIR以及MIR鏡頭，這兩段光譜是如何被吸收而轉換為電訊號，傳回到地球？

這裡就牽涉到2種不同的半導體材料。作為紅外線的光偵測器，這分別是NIR的碲化汞鎘（Hg1-xCdxTe；MCT）以及MIR的Si（As doped）。MCT乃化合物半導體，一般大眾所熟悉的化合物半導體是IV-IV（四四族）的SiC, SiGe，或者III-V（三五族）的GaAs、GaN，而MCT卻是II-VI（二六族）。II-VI族半導體其共價鍵愈弱，而離子鍵愈強，因此不論在晶體或磊晶的成長，或是在製作元件上就更具有挑戰性。這兩種紅外光偵測元件，分別是由２家位於美國加州，專業於光偵測器的公司所研發完成。

MCT藉由改變x的組成，也就改變半導體的能隙（bandgap），因此可將光偵測元件的吸收光譜的臨界值，由波長0.8微米（x=1）調整到5微米（x=0.3）；Si（As）則是利用砷摻雜在矽半導體內，所需要的游離位能（30-40 meV），當作MIR的吸收能階，使得元件得以吸收28微米的紅外光。

然而這2種紅外光的偵測器，都得在極低的溫度下操作，尤其是Si更是需要在絕對溫度10K以下的超低溫工作。韋伯在面對太陽的一面，溫度常會超過攝氏50度，科學家們利用特殊的材料，製作出大面積且極薄的光罩版，阻絕太陽的光及熱，使得在很短的距離內，溫度可以下降300度，讓這兩類的紅外光偵測器，才得以正常的工作。

30年前當筆者剛任教於國立中央大學，參與部分中研院天文所的無線電天文望遠鏡的計畫，時任中大校長的劉兆漢先生就告訴我，天文觀測所使用的技術都是最尖端的科技，劉校長本身是位太空科學專家。這件事發生在中研院的次毫米波無線電天文陣列上，也同時見證於韋伯紅外線太空望遠鏡上。