Teleskop Luar Angkasa James Webb

Dengan peluncuran Teleskop Luar Angkasa James Webb (JWST), pemahaman umat manusia tentang alam semesta — dan asal-usulnya — akan meningkat secara eksponensial.

Awalnya disebut Next Generation Space Telescope (NGST) dan berganti nama pada September 2002 untuk menghormati mantan administrator NASA James Webb, JWST merupakan kolaborasi internasional dari mitra termasuk NASA, Badan Antariksa Kanada (CSA), Badan Antariksa Eropa (ESA), produsen kedirgantaraan Northrop Grumman, dan Space Telescope Space Institute, yang akan mengoperasikan teleskop setelah diluncurkan.

Teknologi Inframerah

Apa yang membuat JWST berbeda dari teleskop berbasis ruang angkasa yang datang sebelumnya, seperti Teleskop Luar Angkasa Hubble yang membuat sejarah? Untuk satu hal, Hubble, yang diluncurkan pada tahun 1990, adalah teleskop optik; JWST adalah teleskop inframerah. Saat gelombang cahaya berjalan melalui alam semesta yang terus berkembang, mereka menjadi "meregangkan", yang berarti mereka bergeser ke panjang gelombang energi yang lebih panjang dan lebih merah. Pada titik tertentu, cahaya yang pernah terlihat dari bintang terjauh di alam semesta bergeser ke panjang gelombang inframerah yang tidak lagi dapat dideteksi oleh teleskop optik seperti Hubble. JWST dirancang khusus untuk menangkap gambar gelombang cahaya inframerah tersebut dan menganalisisnya menggunakan spektroskopi canggih.

JWST bukan pertama kalinya para ilmuwan menggunakan teknologi inframerah untuk menjelajahi alam semesta. Pada tahun 1983 NASA meluncurkan terobosan Satelit Astronomi Inframerah (IRAS) ke orbit, menjadikannya teleskop inframerah berbasis ruang angkasa pertama di dunia. Sebuah proyek bersama yang direkayasa oleh Amerika Serikat, Belanda, dan Inggris, mengorbit 559 mil di atas Bumi dalam misi yang berlangsung 10 bulan dan mengamati lebih dari 250.000 sumber inframerah dalam panjang gelombang 12, 25, 60 dan 100 mikrometer. Keberhasilan misi itu mengarah pada pemasangan teleskop inframerah berpendingin helium di atas Space Shuttle Challenger pada 1985 (STS-51) dan akhirnya menghasilkan pengembangan Teleskop Luar Angkasa Spitzer, yang diluncurkan pada 2003.

Di antara tonggak sejarah tersebut, Badan Antariksa Eropa, bekerja sama dengan NASA dan Institut Ilmu Luar Angkasa dan Astronautika Jepang (ISAS), meluncurkan Observatorium Luar Angkasa Inframerah (ISO) pada November 1995 dalam misi tiga tahun yang dirancang untuk mengamati sekitar 30.000 sumber inframerah, melakukan pencitraan dalam kisaran 2,5 hingga 240 mikrometer, dan spektroskopi dalam kisaran 2,5 hingga 196,8 mikrometer, dan mengirimkan data kembali ke Bumi secara real time. Dan pada tahun 1997, NASA memberikan kemampuan inframerah teleskop optik Hubble dengan melengkapinya dengan Near Infrared Camera dan Multi-Object Spectrometer (NICMOS) selama Service Mission 2 (STS-82).

NICMOS, perangkat pencitraan gabungan dan spektrometer yang dirancang dan dibuat oleh Ball Aerospace &Technologies Corp., menampilkan tiga detektor inframerah dekat merkuri kadmium telluride yang terikat pada substrat safir dan dirancang untuk beroperasi pada panjang gelombang 0,8 hingga 2,5 mikrometer. NICMOS, yang beroperasi dari 1997 hingga 1999 sebelum kehabisan cairan pendingin, dan kemudian lagi dari 2002 hingga 2008 setelah pemasangan sistem pendingin kriogenik baru selama Service Mission 3B (STS-109), akhirnya diganti pada 2009 dengan Wide Field Kamera 3 (WFC3) selama Service Mission 4 (STS-125). Meskipun tidak sepenuhnya instrumen inframerah - ia juga memiliki saluran UV dan optik yang mampu merekam gambar dalam rentang panjang gelombang 200 hingga 1000 nm - WFC3 memang memiliki detektor inframerah-dekat yang dirancang untuk menangkap gambar dalam rentang panjang gelombang 800 - 1700 nm. Meskipun kemampuan inframerahnya terbatas dibandingkan dengan NICMOS (1700 nm vs. 2500 nm), WFC3 dapat didinginkan secara termoelektrik, sehingga tidak memerlukan pendinginan kriogenik.

Cermin

Bisa dibilang instrumen ilmiah paling berteknologi maju yang pernah diluncurkan ke luar angkasa, JWST tidak hanya akan menggabungkan aspek-aspek terbaik dari teleskop luar angkasa Hubble dan Spitzer, tetapi juga akan jauh melebihi mereka, dimulai dengan ukuran cermin utamanya. Cermin Webb akan berdiameter 6,5 meter dibandingkan dengan cermin Hubble 2,4 meter dan cermin kompak Spitzer 0,8 meter.

Karena cermin yang ukurannya terlalu besar untuk muat di dalam kendaraan peluncuran saat ini, cermin itu akan terdiri dari 18 segmen individu berbentuk heksagonal yang terbuat dari berilium ringan yang akan terbuka dan secara otomatis menyesuaikan bentuknya begitu di orbit. Setiap segmen akan menjadi deposisi uap vakum yang dilapisi dengan lapisan tipis emas setebal 1000 angstrom (100 nanometer). Sebagai gambaran, mengingat densitas emas pada suhu kamar (19,3 gm/cm ³ ), yang menghasilkan 48,25 gram emas — kira-kira sama beratnya dengan bola golf — untuk melapisi permukaan seluas 25m ² . Mengapa emas? reflektifitas unggul. Emas akan memantulkan 98 persen cahaya inframerah yang dikumpulkan, sedangkan bahan seperti aluminium biasanya hanya memantulkan sekitar 85 persen cahaya tampak.

JWST dirancang untuk mengorbit titik L2, 1,5 juta kilometer di atas Bumi. Semakin jauh dari atmosfer Bumi sebuah teleskop, semakin sedikit elemen yang berdampak negatif pada kualitas data yang dikumpulkan. Itu juga akan cukup jauh dari medan magnet pelindung Bumi di mana sinar kosmik berenergi tinggi dapat mengganggu sinyalnya atau membuat muatan listrik yang berpotensi merusak instrumen sensitif teleskop. Sebagai asuransi tambahan, JWST telah dirancang dengan pelindung khusus dan bahan konduktif untuk mencegah akumulasi tegangan dan merusak kaca depan dan subsistem pesawat. Teleskop akan membuat satu orbit penuh di sekitar L2 setiap 198 hari...jika Anda ingin mengamatinya.

The Sunshield

Sunshield teleskop, yang kira-kira seukuran lapangan tenis (21,197m × 14,162m), sejauh ini merupakan elemen terbesar dari JWST. Terdiri dari lima lapisan Du-Pont™ Kapton® berlapis silikon, setiap lapisan setebal kurang dari 1mm, tujuan utama sunshield adalah untuk memisahkan sisi dingin teleskop, tempat instrumentasi ditempatkan, dari sisi yang menghadap matahari. Suhu maksimum yang dapat ditahan oleh lapisan 1 adalah 383K (~231°F), sedangkan lapisan 5 dapat menahan suhu maksimum 221K (~-80°F) dan suhu minimum 36K (~ -394°F). Karena detektor inframerah lebih menyukai suhu dingin dan panas apa pun yang dihasilkan oleh sistem onboard JWST dapat mencemari sinyal inframerah yang dikumpulkan, suhu pengoperasian teleskop yang disukai adalah di bawah 50K (~ -370 °F).

Mengingat ukuran sunshield dan seberapa tipis materialnya, salah satu tantangan teknis yang dihadapi oleh para perancangnya adalah membuatnya cukup kuat untuk menahan kerasnya perjalanan ruang angkasa. Mereka mencapainya dengan menciptakan sistem tulang rusuk pendukung yang cerdik yang akan memberikan stabilitas struktural yang diperlukan tanpa menjadi rapuh. Sistem ini juga akan mentolerir robekan kecil dan robekan yang disebabkan oleh puing-puing luar angkasa tanpa gagal.

Dalam hal teknologi, JWST dapat dipecah menjadi tiga bagian:Modul Instrumen Sains Terpadu (ISIM), Elemen Teleskop Optik, dan Elemen Pesawat Luar Angkasa.

Instrumen Sains

ISIM berisi empat instrumen ilmiah utama JWST:Near-Infrared Camera (NIRCam), Near-Infrared Spectrograph (NIRSpec), Mid-Infrared Instrument (MIRI), dan Fine Guidance Sensor/Near-Infrared Imager dan Slitless Spectrograph (FGS/NIRISS).

Kamera Near-Infrared, yang dibuat oleh University of Arizona dan Lockheed Martin, akan melakukan dua fungsi penting. Yang pertama adalah menangkap gambar dalam rentang panjang gelombang 600nm hingga 5000nm menggunakan eksposur 10.000 detik (sekitar 2,8 jam). Dirancang untuk beroperasi pada 37K (~ -393°F), ia akan mengamati dan merekam cahaya yang dihasilkan oleh beberapa bintang dan galaksi pertama yang terbentuk di alam semesta setelah Big Bang. Fungsi penting lainnya adalah terus memantau kinerja 18 segmen Cermin Utama, memastikan teleskop tetap fokus.

Spektrograf Inframerah Dekat, yang disumbangkan oleh European Space Agency (ESA), unik karena dapat secara bersamaan menganalisis sebanyak 100 objek dalam bidang pandang 3 menit busur × 3 menit busur dalam rentang panjang gelombang 600nm hingga 5000nm. Hal ini dapat dilakukan berkat sistem inovatif dari empat susunan masker celah yang dapat diprogram yang berisi sekitar 250.000 penutup mikro, masing-masing berukuran hanya 100 × 200 mikron. NIRSpec memiliki empat mode operasional:Multi-Object Spectroscopy (MOS), Mode Integral Field Unit (IFU), High-Contrast Slit Spectroscopy (SLIT), dan Imaging Mode (IMA). Seperti Kamera Inframerah Dekat, kamera ini akan digunakan untuk menganalisis cahaya yang dikumpulkan dari asal usul alam semesta.

Instrumen Inframerah Tengah dirancang untuk berfungsi sebagai kamera dan spektrograf dan mengambil tempat instrumen inframerah-dekat berhenti, menangkap dan menganalisis cahaya dalam rentang panjang gelombang 5000nm hingga 28000nm. Kunci kinerjanya di area ini adalah detektor silikon yang didoping arsenik, juga dikenal sebagai Focal Plane Modules (FPM), yang memiliki resolusi 1024 × 1024 piksel. MIRI, yang didinginkan secara kriogenik hingga 7K (~ -447°F), juga berisi Spektrometer Resolusi Rendah yang dilengkapi dengan logam germanium dan prisma seng sulfida yang dapat menganalisis cahaya dalam rentang panjang gelombang 5000nm hingga 12000nm. Hal ini juga dilengkapi dengan koronagraf, memberikan kemampuan untuk mempelajari planet ekstrasurya.

Terakhir, Fine Guidance Sensor/ Near Infrared Imager dan Slitless Spectrograph, yang dibuat oleh Canadian Space Agency, dirancang untuk mengamati cahaya dalam rentang panjang gelombang 800nm ​​hingga 5000nm dan melakukan dua fungsi. Fine Guidance Sensor memberikan rasa arah JWST, mengarahkannya ke target yang ditentukan. Pencitra Inframerah Dekat dan Spektrograf Tanpa Celah, yang dilengkapi dengan susunan kadmium merkuri 2048 × 2048 piksel dan memiliki bidang pandang 2,2 kaki × 2,2 kaki, dirancang untuk mendeteksi dan menganalisis planet ekstrasurya.

Optical Telescope Element (OTE), seperti namanya, adalah mata dari JWST. Menurut NASA, itu terdiri dari 18 segmen heksagonal yang membentuk cermin utama 6,5 ​​meter; cermin sekunder melingkar 0,74 meter; kaca spion tersier dan halus; rakitan bidang belakang cermin utama dan perlengkapan pendukung bidang belakang utama, yang juga menampung modul instrumen; subsistem manajemen termal; radiator ISIM yang dapat dipasang di belakang (ADIR); dan sistem penginderaan dan kontrol muka gelombang pesawat ruang angkasa.

Subsistem

Bagian terakhir dari teka-teki adalah Elemen Pesawat Luar Angkasa, yang terdiri dari pelindung matahari dan Bus Pesawat Luar Angkasa. Selain menopang seluruh massa 6500 kg teleskop, Bus Antariksa, yang terbuat dari bahan komposit grafit, menampung enam subsistem utama JWST, yaitu subsistem tenaga listrik, subsistem kontrol sikap, subsistem komunikasi, subsistem komando dan data handling subsystem, the propulsion subsystem, and the thermal control subsystem.

The primary function of the electrical power subsystem is to convert the energy collected by the solar panels into the electrical power required by the other subsystems. The attitude control subsystem manages the telescope’s orientation and stability in orbit. The communication subsystem will handle the transmission of data and command signals through NASA’s Deep Space Communication Network. The command and data handling subsystem contains the JWST’s main computer and Command Telemetry Processor (CTP), as well as its Solid State Recorder (SSR) data storage device. The propulsion subsystem consists of the rockets and fuel tanks needed to aim the telescope and keep it in its proper orbit. And the thermal control subsystem is designed to control the four Deployable Radiator Shade Assemblies and maintain critical operating temperatures aboard the spacecraft.

Based on the extraordinary amount and quality of data collected by the Hubble and Spitzer Space Telescopes, the sense of anticipation and excitement regarding what we might learn from the JWST is understandably high. Its projected mission duration is 5 - 10 years and within that time, scientists hope to not only learn more about the origins and formation of our universe, but to gather valuable information on other mysteries such as black holes, supernovae, baby galaxies, and distant planets that might hold the potential for supporting life.

Regardless of what it discovers, like the fictional Starship Enterprise in the popular Star Trek television series, the JWST will give us the very real capability to scientifically go “where no man has gone before.”

This article was written by Bruce A. Bennett, Editor, Photonics &Imaging Technology, SAE Media Group (New York, NY).

Sources

• Ivanova, Nelly. 2012. The James Webb Space
• Telescope Science Guide . Baltimore:Space
• Telescope Science Institute (STScl).
• https://jwst.nasa.gov/
• https://www.nasa.gov/