Teleskop Angkasa James Webb: Membuka Asal-usul Alam Semesta

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

Dawawala disebut Teleskop Angkasa Generasi Berikutnya (NGST) dan diubah namanya pada September 2002 untuk menghormati mantan administrator NASA James Webb, JWST mewakili kolaborasi internasional mitra termasuk NASA, Canadian Space Agency (CSA), European Space Agency (ESA), produsen pesawat ruang angkasa Northrop Grumman, dan Space Telescope Space Institute, yang akan mengoperasikan teleskop setelah diluncurkan.

Teknologi Inframerah

Apa yang membuat JWST berbeda dari teleskop berbasis angkasa sebelumnya, seperti Teleskop Angkasa Hubble yang membuat sejarah? Untuk satu hal, Hubble, yang diluncurkan pada 1990, adalah teleskop optik; JWST adalah teleskop inframerah. Saat gelombang cahaya melalui alam semesta yang terus melebar, mereka “terelok,” berarti bergeser ke panjang gelombang energi yang lebih panjang dan lebih merah. Pada suatu titik, cahaya yang pernah terlihat dari bintang terpauh 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 terdepan.

JWST tidak akan menjadi pertama kalinya ilmuwan menggunakan teknologi inframerah untuk menjelajahi alam semesta. Pada 1983 NASA meluncurkan satelit IRAS (Infrared Astronomical Satellite) yang revolusioner ke orbit, menjadikannya teleskop inframerah berbasis angkasa pertama di dunia. Proyek bersama yang dirancang oleh AS, Belanda, dan Inggris, itu berorbit 559 mil di atas Bumi dalam misi yang berlangsung 10 bulan dan mengamati lebih dari 250.000 sumber inframerah pada panjang gelombang 12, 25, 60 dan 100 mikrometer. Keberhasilan misi itu mengarah pada pemasangan teleskop inframerah yang didinginkan helium di atas Space Shuttle Challenger pada 1985 (STS-51) dan akhirnya menghasilkan pengembangan Teleskop Angkasa Spitzer, yang diluncurkan pada 2003.

Di antara tonggak sejarah tersebut, European Space Agency, bekerja sama dengan NASA dan Institut Ilmu dan Ilmu Angkasa Jepang (ISAS), meluncurkan Observatorium Inframerah (ISO) pada November 1995 pada misi tiga tahun yang dirancang untuk mengamati sekitar 30.000 sumber inframerah, melakukan imaging dalam rentang 2.5 hingga 240 mikrometer, dan spektroskopi dalam rentang 2.5 hingga 196.8 mikrometer, dan mentransmisikan data kembali ke Bumi secara real-time. Dan pada 1997, NASA memberikan kemampuan inframerah pada teleskop optik Hubble dengan melengkapinya dengan Kamera dan Spektrometro Multi-Objek Inframerah Dekat (NICMOS) selama Servicing Mission 2 (STS-82).

NICMOS, perangkat imaging dan spektrometro gabungan yang dirancang dan dibangun oleh Ball Aerospace & Technologies Corp., memiliki tiga detektor inframerah dekat merkuri kadium telluride yang ditempel 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 pendingin, dan kemudian lagi dari 2002 hingga 2008 setelah instalasi sistem pendingin kriogenik baru selama Servicing Mission 3B (STS-109), akhirnya digantikan pada 2009 dengan Kamera Lapangan Luas 3 (WFC3) selama Servicing Mission 4 (STS-125). Meskipun tidak secara ketat instrumen inframerah — juga memiliki saluran UV dan optik yang mampu merekam gambar dalam rentang panjang gelombang 200 hingga 1000 nm — WFC3 memiliki detektor inframerah dekat yang dirancang untuk menangkap gambar dalam rentang panjang gelombang 800 - 1700 nm. Meskipun terbatas dalam kemampuan inframerahnya dibandingkan NICMOS (1700 nm vs. 2500 nm), WFC3 dapat didinginkan termolistrik, menghilangkan kebutuhan akan pendingin kriogenik.

Cermin

Dapat dikatakan instrumen sains yang paling canggih teknologinya yang pernah diluncurkan ke angkasa, JWST tidak hanya akan menggabungkan aspek terbaik dari teleskop angkasa Hubble dan Spitzer, ini akan jauh melebihi mereka, dimulai dengan ukuran cermin primer. Cermin Webb akan berdiameter 6,5 meter dibandingkan cermin Hubble 2,4 meter dan cermin Spitzer 0,8 meter yang kompak.

Karena cermin berukuran itu terlalu besar untuk muat di dalam kendaraan peluncur saat ini, ia akan terdiri dari 18 segmen berupa heksagon yang terbuat dari beryllium ringan yang akan terbuka dan menyesuaikan bentuknya secara otomatis sekali di orbit. Setiap segmen dilapisi dengan lapisan tipis emas sebalik 1000 angstrom (100 nanometer) melalui vacuum vapor deposition. Untuk memberikan perspektif, dengan densitas emas pada suhu kamar (19.3 gm/cm³), ini setara dengan 48,25 g emas — sekitar massa bola golf — untuk melapisi luas permukaan 25m². Mengapa emas? Reflektivitas superior. Emas akan memantulkan 98 persen cahaya inframerah yang dikumpulkan, sedangkan material seperti aluminium biasanya hanya memantulkan sekitar 85 persen cahaya terlihat.

JWST dirancang untuk berorbit di titik L2, 1,5 juta kilometer di atas Bumi. Semakin jauh dari atmosfer Bumi teleskop berada, semakin sedikit elemen yang dapat berdampak negatif pada kualitas data yang dikumpulkan. Ia juga akan cukup jauh dari medan magnet perlindungan Bumi di mana sinar kosmik energi tinggi dapat mengganggu sinyalnya atau menciptakan muatan listrik yang dapat berpotensi merusak instrumen sensitif teleskop. Sebagai jaminan tambahan, JWST dirancang dengan perlindungan khusus dan material konduktif untuk mencegah penumpukan tegangan yang dapat merusak sunshield dan subsistem kapal angkasa. Teleskop akan melakukan satu orbit lengkap di sekitar L2 setiap 198 hari... jika Anda ingin melihatnya.

Sunshield

Sunshield teleskop, yang berukuran sekitar lapangan tenis (21,197m × 14,162m), adalah elemen terbesar dari JWST. Terdiri dari lima lapisan Kapton® Du-Pont™ yang dilapisi silikon, masing-masing lapisan lebih tipis dari 1mm, tujuan utama sunshield adalah memisahkan sisi dingin teleskop, tempat instrumentasi ditempatkan, dari sisi yang menghadap matahari. Suhu maksimum lapisan 1 yang dapat ditahan adalah 383K (~231°F), sementara lapisan 5 dapat menahan suhu maksimum 221K (~ -80°F) dan suhu minimum 36K (~ -394°F). Karena detektor inframerah menyukai suhu dingin dan panas yang dihasilkan oleh sistem papan JWST dapat mencemari sinyal inframerah yang dikumpulkan, suhu operasi yang disukai teleskop adalah di bawah 50K (~ -370°F).

Mengingat ukuran sunshield dan seberapa tipis materialnya, salah satu tantangan rekayasa yang dihadapi desainer adalah membuatnya cukup kuat untuk menahan kekerasan perjalanan angkasa. Mereka mencapai itu dengan menciptakan sistem rusuk pendukung yang cerdas yang akan memberikan stabilitas struktural yang diperlukan tanpa menjadi rapuh. Sistem juga akan menahan retakan kecil yang disebabkan oleh puing angkasa tanpa gagal.

Dalam hal teknologi, JWST dapat dibagi menjadi tiga bagian: Integrated Science Instrument Module (ISIM), Optical Telescope Element, dan Spacecraft Element.

Instrumen Sains

ISIM berisi empat instrumen sains utama JWST: Kamera Inframerah Dekat (NIRCam), Spektrograf Inframerah Dekat (NIRSpec), Instrumen Inframerah Tengah (MIRI), dan Fine Guidance Sensor/Near-Infrared Imager and Slitless Spectrograph (FGS/NIRISS).

Kamera Inframerah Dekat, yang dibangun oleh University of Arizona dan Lockheed Martin, akan melakukan dua fungsi penting. Pertama adalah menangkap gambar dalam rentang panjang gelombang 600nm hingga 5000nm dengan exposure 10.000 detik (sekitar 2,8 jam). Dirancang untuk beroperasi pada 37K (~ -393°F), ia akan mengamati dan mencatat cahaya yang dihasilkan oleh beberapa bintang dan galaksi pertama yang terbentuk di alam semesta setelah Big Bang. Fungsi penting lainnya adalah memantau kinerja 18 segmen Cermin Primer secara terus-menerus, memastikan bahwa teleskop tetap fokus.

Spektrograf Inframerah Dekat, yang disumbangkan oleh European Space Agency (ESA), unik karena dapat menganalisis hingga 100 objek secara bersamaan dalam field of view 3 arcminute × 3 arcminute dalam rentang panjang gelombang 600nm hingga 5000nm. Ini dapat dilakukan berkat sistem inovatif dari empat array masker slit yang dapat diprogram yang berisi sekitar 250.000 mikro shutter, masing-masing berukuran 100 × 200 mikron. NIRSpec memiliki empat mode operasional: Multi-Object Spectroscopy (MOS), Integral Field Unit (IFU) Mode, High-Contrast Slit Spectroscopy (SLIT), dan Imaging Mode (IMA). Sama seperti Kamera Inframerah Dekat, ia akan digunakan untuk menganalisis cahaya yang dikumpulkan dari asal-usul alam semesta.

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

Terakhir, Fine Guidance Sensor/ Near Infrared Imager and Slitless Spectrograph, yang dibangun oleh Canadian Space Agency, dirancang untuk mengamati cahaya dalam rentang panjang gelombang 800nm hingga 5000nm dan melakukan dua fungsi. Fine Guidance Sensor memberikan arah JWST, mengarahkan pada target yang ditetapkan. Near Infrared Imager and Slitless Spectrograph, yang dilengkapi dengan array merkuri kadium 2048 × 2048 piksel dan memiliki field of view 2,2 kaki × 2,2 kaki, dirancang untuk mendeteksi dan menganalisis exoplanet.

Optical Telescope Element (OTE) adalah, seperti namanya, mata JWST. Menurut NASA, terdiri dari 18 segmen heksagon yang membentuk cermin primer 6,5 meter; cermin sekunder bulat 0,74 meter; cermin tersier dan fine steering; rangka belakang cermin primer dan support fixture utama rangka belakang, yang juga menempatkan modul instrumen; subsistem manajemen termal; radiator ISIM aft deployable (ADIR); dan sistem sensing dan kontrol wavefront kapal angkasa.

Subsistem

Pesulap terakhir dari teka-teki adalah Spacecraft Element, yang terdiri dari sunshield dan Spacecraft Bus. Selain mendukung seluruh massa 6500 kg teleskop, Spacecraft Bus, yang terbuat dari komposit grafit, menempatkan enam subsistem utama JWST, yaitu subsistem daya listrik, subsistem kontrol sikap, subsistem komunikasi, subsistem penanganan perintah dan data, subsistem propulsi, dan subsistem kontrol termal.

Fungsi utama subsistem daya listrik adalah mengubah energi yang dikumpulkan oleh panel surya menjadi daya listrik yang diperlukan oleh subsistem lainnya. Subsistem kontrol sikap mengelola orientasi dan stabilitas teleskop di orbit. Subsistem komunikasi akan menangani transmisi data dan sinyal perintah melalui Jaringan Komunikasi Antariksa Dalam NASA. Subsistem penanganan perintah dan data berisi komputer utama JWST dan Command Telemetry Processor (CTP), serta perangkat penyimpanan data Solid State Recorder (SSR). Subsistem propulsi terdiri dari roket dan tangki bahan bakar yang diperlukan untuk mengarahkan teleskop dan menjaganya di orbit yang tepat. Dan subsistem kontrol termal dirancang untuk mengontrol empat Deployable Radiator Shade Assemblies dan menjaga suhu operasi kritis di kapal angkasa.

Berdasarkan jumlah dan kualitas data luar biasa yang dikumpulkan oleh Teleskop Angkasa Hubble dan Spitzer, rasa harapan dan kegembiraan mengenai apa yang mungkin kita pelajari dari JWST sangatlah tinggi. Durasi misi yang diproyeksikan adalah 5 - 10 tahun dan dalam waktu itu, ilmuwan berharap tidak hanya untuk mempelajari lebih banyak tentang asal dan pembentukan alam semesta kita, tetapi juga untuk mengumpulkan informasi berharga tentang misteri lain seperti lubang hitam, supernova, galaksi bayi, dan planet jauh yang mungkin memiliki potensi untuk mendukung kehidupan.

Terlepas dari apa yang ditemukan, seperti Starship Enterprise fiksi dalam seri televisi Star Trek yang populer, JWST akan memberikan kemampuan yang sangat nyata untuk secara ilmiah pergi “di mana tidak ada manusia yang pernah pergi sebelumnya.”

Artikel ini ditulis oleh Bruce A. Bennett, Editor, Photonics & Imaging Technology, SAE Media Group (New York, NY).

Sumber

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