LUVOIR, Teleskop Masa Depan yang 40 Kali Lipat Melampaui Hubble

Ilustrasi Teleskop Antariksa LUVOIR yang akan ditempatkan di titik L2 Lagrange. Cermin utama berukuran 15,1 meter akan mengamati alam semesta dan memberikan kekayaan tak ternilai bagi sains dan astronomi.
Tim konsep NASA/LUVOIR; Serge Brunier (latar belakang).

Sejak umat manusia pertama kali mengalihkan pandangannya ke langit, kini kita telah menyadari tentang riwayat eksistensi kita di alam semesta, termasuk semua yang ada saat ini dan nasib pamungkas kita, yang secara harfiah ditulis oleh kosmos. Pemahaman kita tentang bagaimana sebenarnya alam semesta itu, bagaimana terbentuk dan bagaimana semua hal itu terjadi, meningkat secara drastis setiap kali kita membangun instrumen generasi baru untuk menyelidiki bintang, galaksi, dan ruang angkasa jauh. Teleskop Antariksa Hubble telah memberi kita lompatan besar dan memperlihatkan wujud sejati alam semesta. Tak lama lagi, Teleskop Antariksa James Webb akan memberi kita lompatan yang setara, untuk mengungkap riwayat kosmos secara lebih mendetail. Untuk memperoleh lompatan yang lebih besar lagi, tentunya kita harus memimpikan hal yang besar pula, demi menjawab pertanyaan-pertanyaan terbesar di bidang astronomi. Hanya LUVOIR, sebuah teleskop antariksa berukuran 15,1 meter yang saat ini sedang diusulkan dengan 40 kali lipat ketajaman melampaui Hubble, mendorong manusia untuk berani menyelesaikan teka-teki itu.

Apakah Planet Kesembilan nyata? Jika memang benar ada, jajaran teleskop berbasis darat atau antariksa saat ini dan masa depan, diharapkan mampu mengambil setidaknya satu piksel gambar darinya. Tapi, LUVOIR dipastikan mampu mengambil gambar Planet Kesembilan, meskipun berada di tempat yang jauh.
Tim konsep NASA/LUVOIR

LUVOIR, sebuah konsep untuk Observatorium Large UltraViolet, Optical, and InfraRed, pada dasarnya menyerupai Hubble tapi dalam versi yang jauh lebih baik. LUVOIR diharapkan mampu melakukan penelitian ilmiah yang tidak mampu dilakukan teleskop generasi sebelumnya. Bukan bermaksud meremehkan capaian prestasi Hubble! Pertimbangkanlah apa yang Hubble telah berikan kepada kita. Revolusi kosmologi, yang mengubah pemahaman kita tentang galaksi dan material yang menyusun mereka, teleskop bermata tajam yang memantau gerak-gerik dinamis tata surya kita dan membawa kita untuk pertama kalinya memasuki studi atmosfer eksoplanet (planet di luar tata surya). Lensa berukuran 15,1 meter, dengan desain tersegmentasi, kemampuan instrumental yang jauh melampaui teleskop-teleskop kita saat ini, resolusi superior, dan lebih banyak lagi, LUVOIR tak sekadar merepresentasikan peningkatan tahapan secara progresif, tetapi juga transformatif atas observatorium manapun yang pernah diusulkan.

Jika Matahari berada dalam jarak sekitar 10 parsec (33 tahun cahaya), LUVOIR tak hanya mampu mencitrakan Jupiter dan Bumi bersama spektrumnya, bahkan Venus juga turut terdeteksi.
Tim konsep NASA/LUVOIR

Saya berbicara dengan John O'Meara, pimpinan Cosmic Origins Science untuk LUVOIR, mengenai berbagai topik terkait dengan teleskop yang masih dalam tahap pengusulan ini. Di setiap arena astronomi yang bisa kita bayangkan, mulai dari tata surya, eksoplanet, bintang, galaksi, gas antargalaksi, materi gelap dan lain-lain, teleskop canggih ini akan mendorong pengetahuan ilmiah kita lebih maju melalui cara-cara yang tidak bisa dilakukan oleh teleskop lain. Dengan ukurannya yang besar, dikombinasikan dengan teknologi mutakhir lainnya, LUVOIR akan menjadi observatorium impian para astronom. Dibandingkan dengan apa yang bisa kita lakukan hari ini, inilah enam hal luar biasa yang bisa dilakukan oleh LUVOIR!

Sebuah dunia di Sabuk Kuiper dapat ditampilkan dalam kaya fitur oleh LUVOIR (kiri), sementara Hubble, bahkan pada batas maksimumnya, hanya akan melihat beberapa piksel tanpa kandungan informasi sama sekali (kanan).
Tim konsep LUVOIR

1. Tata Surya. Bayangkan bagaimana rasanya mencitrakan secara langsung kepulan uap air di Europa dan Enceladus, erupsi di Io, atau untuk memetakan medan magnet raksasa-raksasa gas dari sini, di dekat rumah kita sendiri? Bayangkan melihat dunia yang terletak jauh di Sabuk Kuiper dan tak sekadar mendapatkan satu piksel cahaya untuk selanjutnya harus diprediksi, tapi sekaligus mengambil gambar dunia itu sendiri dan memahami fitur-fitur permukaannya? Inilah yang menjanjikan dari teleskop antariksa tipe 10 meter atau lebih, yang seharusnya tak sekadar mampu mengambil gambar menakjubkan dari dunia-dunia ini, namun juga untuk mendapatkan spektrum dari berbagai macam fitur yang ada pada mereka.

Gairah terkuat yang mengendalikan teleskop LUVOIR adalah hasrat untuk memiliki sampel besar kandidat eksoplanet mirip Bumi. Sampel akan menunjukkan bintang induk yang memiliki sebuah planet di zona layak huni untuk diamati. Pengkodean warna menunjukkan probabilitas untuk mengamati kandidat eksoplanet mirip Bumi yang mengorbit bintang tersebut (warna hijau adalah probabilitas tertinggi, warna merah adalah probabilitas terendah).
C. Stark dan J. Tumlinson, STScI

2. Eksoplanet. Alih-alih menyimpulkan keberadaan planet dari transit atau goyangan yang mereka timbulkan ketika mengorbit bintang induk, LUVOIR memiliki kemampuan untuk mencitrakan mereka secara mendetail. Dengan coronagraph berkualitas tinggi yang belum pernah ada sebelumnya, dipadukan dengan ukuran dan lokasinya di luar angkasa, LUVOIR seharusnya dapat menemukan dan mengambil citra ratusan sistem bintang dalam rentang jarak sekitar 100 tahun cahaya untuk menentukan kandidat eksoplanet dengan potensi kehidupan di dalamnya. Coronagraph adalah sebuah instrumen yang menghalangi cahaya yang dipancarkan bintang. Dengan mengumpulkan data spektrum, LUVOIR dapat melakukan apa yang tidak bisa dicapai observatorium lain untuk mencari molekuler biosignatures (jejak biologis) di sekitar ratusan dunia layak huni seukuran Bumi. LUVOIR akan memberikan kita bukti kehidupan di luar tata surya untuk pertama kalinya.

Gambar simulasi dari apa yang Hubble lihat tentang pembentukan bintang di galaksi jauh (kiri), dibandingkan citra yang dihasilkan teleskop tipe 10-15 meter untuk galaksi yang sama (kanan). Resolusi beberapa kali lipat lebih baik untuk gambar di sebelah kanan.
NASA/Greg Snyder/ Tim konsep LUVOIR-HDST

3. Bintang. Ketika diluncurkan, Hubble membuka jendela baru bagi para astronom observasional, yaitu kemampuan untuk mengukur karakteristik bintang individu di galaksi Andromeda, yang terletak lebih dari 2 juta tahun cahaya. Dengan LUVOIR, kita dapat melakukan pengukuran yang setara untuk setiap galaksi dalam jarak sekitar 300 juta tahun cahaya! Untuk pertama kalinya, kita akan bisa mengukur bintang di setiap tipe galaksi di alam semesta, mulai dari galaksi berbentuk katai, spiral, elips raksasa hingga galaksi cincin langka, bahkan hingga galaksi-galaksi yang sedang dalam proses penggabungan. Sensus kosmik ini tidak mungkin terwujud tanpa teleskop antariksa besar seperti LUVOIR.

Meskipun terdapat galaksi-galaksi ultra-jauh, yang berwarna sangat merah dan gambarnya telah diperbesar oleh Deep Field eXtreme, masih ada galaksi-galaksi yang bahkan lebih jauh lagi di luar sana, yang akan mampu diungkap oleh LUVOIR tanpa bantuan lensa gravitasi.
Kredit: NASA, ESA, R. Bouwens dan G. Illingworth (UC, Santa Cruz).

4. Galaksi. Hubble sangat luar biasa sebab mampu menemukan galaksi-galaksi ketika alam semesta baru berusia 400 juta tahun, hanya 3% dari usianya saat ini. Tapi galaksi-galaksi jauh sangat langka, karena Hubble hanya bisa melihat yang paling terang di antara mereka dengan bantuan lensa gravitasi. Sebaliknya, LUVOIR mampu untuk melihat setiap galaksi, termasuk yang redup, katai, dan galaksi yang tidak bisa dilihat dengan bantuan lensa gravitasi karena tidak pernah sejajar dari sudut pandang kita. Akhirnya kita dapat belajar tentang populasi galaksi di alam semesta secara utuh dan untuk mengukurnya hingga resolusi 300-400 tahun cahaya per piksel, tak peduli seberapa jauh lokasi mereka.

Warna merah muda di sepanjang lengan spiral adalah jejak wilayah-wilayah hidrogen terionisasi, yang disebabkan oleh pembentukan bintang-bintang muda panas di galaksi ini. Banyak di antara mereka yang akan mengalami supernova. Sementara mengukur gas yang menyumpal galaksi semacam ini hampir tidak mungkin dilakukan sekarang, LUVOIR memungkinkan kita untuk tak sekadar mengukurnya, tapi juga untuk memetakannya dan mengidentifikasi komponen molekuler beserta atomnya.
Observatorium AURA/Gemini

5. Gas antargalaksi. Hari ini, kita bisa mengambil “pencil beam” dari sebuah galaksi, mengukur lingkaran halo molekul gas di sekitar galaksi yang berfungsi sebagai tangki bahan bakar dan pusat daur ulang. Kita bisa mengukur fitur penyerapan gas ini dan membandingkannya dengan simulasi 3 dimensi terbaik. Tapi dengan LUVOIR, kita bisa langsung mengamati puluhan atau bahkan ratusan “pencil beam” per galaksi, mengukur dan memetakan media circumgalactic untuk galaksi manapun. Dalam beberapa kasus, kita bahkan dapat secara langsung menggambarkan sifat emisi dari molekul gas, yang memungkinkan kita untuk secara langsung membandingkan pengamatan dengan simulasi, tanpa harus melakukan interpolasi.

Apakah galaksi yang lebih kecil dan atau lebih muda mematuhi hukum percepatan gravitasi yang berbeda dari yang lebih besar dan lebih tua? Para astronom ingin mengetahuinya sebab mengarah ke pemahaman untuk membedakan materi gelap dengan perubahan gravitasi. Sekali lagi, LUVOIR, mampu melakukan pengukuran terhadap galaksi miliaran tahun cahaya jauhnya, dan memungkinkan para astronom untuk mengungkapnya.
Adam Block/Mount Lemmon SkyCenter/Universitas Arizona

6. Materi gelap. Massa transparan yang tak kasat mata ini bertanggung jawab atas mayoritas gravitasi di alam semesta, namun kita hanya bisa memetakannya dari pengaruhnya terhadap materi normal. Sebelumnya, para astronom harus melihat properti massal dari galaksi-galaksi lain dan menerapkannya ke Bima Sakti. Karena kita berada di dalamnya, Bima Sakti adalah salah satu galaksi yang paling sulit untuk dipetakan. LUVOIR akan mengubah semuanya itu. LUVOIR mampu mengukur sifat rotasi galaksi jauh daripada sebelumnya, menguji bagaimana profil materi gelap di galaksi-galaksi berevolusi selama miliaran tahun. Kita dapat menguji model materi gelap secara eksplisit dengan mengukur pergerakan bintang Bima Sakti secara akurat hingga tingkat ketelitian yang belum pernah dicapai sebelumnya, sekaligus menganalisis materi terkecil pembentuk galaksi yang saat ini berada di luar jangkauan teleskop terkuat sekalipun.

Perbandingan tampilan simulasi dari wilayah langit yang sama dengan durasi waktu pengamatan yang sama, menggunakan Hubble (kiri) dan LUVOIR (kanan).
G. Snyder, STScI/M. Postman, STScI

Tidak ada yang lebih baik daripada berada di luar angkasa, tidak peduli seberapa bagus optik adaptifnya, karena kita tidak akan bisa mengatasi 100% efek atmosfer. Hal ini terutama terjadi pada panjang gelombang ultraviolet dan inframerah, yang hanya dapat dicitrakan secara akurat dari luar angkasa, mengingat penyerapan atmosfer pada kedua panjang gelombang tersebut. Tidak ada juga pengganti untuk ukuran lensa, yang menentukan resolusi maksimum yang bisa dicapai dan jumlah daya pengumpulan cahaya. Resolusi LUVOIR enam kali lebih tajam daripada Hubble dan mampu mengambil gambar dengan ketajaman yang sama sekitar 40 kali lebih cepat. Apa yang LUVOIR amati selama sembilan hari, setara dengan observasi Hubble dalam satu tahun, dan resolusi yang dihasilkan Hubble hanya sebesar 16%.

Bintik merah raksasa Jupiter yang dilihat oleh JunoCam, gambar diolah untuk mengintensifkan keindahan pita dan zona konvektiv Jupiter. LUVOIR mampu mendapatkan gambar dengan kualitas yang sama di wilayah tata surya kita sendiri.
NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS; diolah oleh Carlos Galeano, Cosmonautika

Sebagaimana gambar menakjubkan yang diambil oleh pesawat antariksa JUNO di Jupiter, LUVOIR juga mampu mengambil gambar yang kualitasnya setara dari orbit di dekat Bumi, daripada harus menerbangkan pesawat antariksa ke planet jauh. Ketika mengukur sinar ultraviolet dari sumber, LUVOIR menggunakan microshutter array di instrumen spektroskopinya untuk mencitrakan berbagai objek secara bersamaan, bukan hanya satu objek seperti teleskop hari ini. Sebagaimana Hubble bekerja sama dengan jajaran observatorium berbasis darat terbesar saat ini, LUVOIR juga akan bekerja sama dengan observatorium tipe 30 meter yang sedang dibangun, seperti GMT dan ELT, untuk menemukan dan menindaklanjuti benda langit paling redup dan paling jauh yang pernah diketahui oleh manusia. Sementara James Webb akan menjadi misi astrofisika andalan NASA pada tahun 2020-an, demikian pula dengan WFIRST, LUVOIR direncanakan mulai beroperasi pada awal tahun 2030-an.

Tapi penemuan-penemuan potensial semacam inilah yang ingin kita capai. Dengan setiap lompatan teknologi mutakhir terbaru yang pernah kita alami dalam astronomi dan astrofisika, pencapaian terbesar dari semuanya adalah sesuatu yang tidak pernah kita antisipasi sebelumnya. Hal-hal besar yang tidak diketahui tentang alam semesta, termasuk bagaimana keadaannya dalam sistem yang samar, bagaimana bintang, galaksi, awan gas, dan medium antargalaksi yang paling jauh berperilaku di sejarah awal alam semesta, semuanya akan terbuka untuk pertama kalinya. Ada kemungkinan kita akan belajar bahwa kita sangat sombong dan keras kepala di banyak arena, tapi kita memerlukan data baru berkualitas tinggi ini untuk menunjukkan jalan kepada kita.

Ilustrasi roket peluncur SLS untuk memuat teleskop antariksa berukuran 15,1 meter. Jika tersegmentasi dan dilipat dengan benar, SLS adalah wahana ideal untuk membawa LUVOIR ke titik L2 Lagrange.
NASA/SLS

Agar LUVOIR dapat beroperasi, kita harus menggunakan roket peluncur terbesar dan terberat yang mampu membawanya ke luar angkasa, yaitu SLS (Space Launch System) NASA. Kita membutuhkan cermin tersegmentasi untuk mencapai stabilitas level picometer (sama dengan 1 per 1 trilyun), 10 kali lipat stabilitas yang lebih baik daripada yang kita capai hari ini. Cermin dan sistem pelapis menuntut teknologi yang melampaui teknologi terbaik saat ini. Dan yang paling ambisius, kita harus mengoperasikannya di titik L2 Lagrange, orbit stabil 1,5 juta kilometer dari Bumi. Dan mengapa kita sangat membutuhkan LUVOIR, saya pikir John O'Meara menjawabnya dengan sangat baik:

Saya yakin LUVOIR adalah bagian penting dari era keemasan sains selanjutnya, ketika kita secara definitif melangkah maju bukan hanya terkait dengan pencarian kehidupan di luar tata surya, tapi juga untuk menceritakan kisah tentang kosmologis. LUVOIR dapat menjawab pertanyaan-pertanyaan mendasar kita sebagai umat manusia yang mencoba memahami tempat mereka di alam semesta. Jika hal itu tidak layak, lalu apa?

Ditulis oleh: Ethan Siegel, www.forbes.com

Sumber: New Space Telescope, 40 Times The Power Of Hubble, To Unlock Astronomy's Future

#terimakasihgoogle