Teleskop Antariksa James Webb

Ilustrasi Teleskop Antariksa James Webb NASA yang akan beroperasi di titik kedua Lagrangian (L2).
Kredit: NASA

James Webb Space Telescope, disingkat JWST atau Webb, adalah observatorium besar berbasis antariksa yang dioptimalkan pada panjang gelombang inframerah, yang akan melengkapi dan memperluas penemuan-penemuan Teleskop Antariksa Hubble.

Teleskop Antariksa James Webb akan mencakup peningkatan sensitivitas panjang gelombang cahaya yang lebih panjang daripada Hubble. Panjang gelombang yang lebih panjang memungkinkan Webb untuk melihat lebih jauh ke masa lalu, mumpuni untuk mengamati galaksi-galaksi pertama yang terbentuk di alam semesta awal dan mengintip ke dalam awan debu tempat bintang dan sistem planet terbentuk saat ini. 

Webb akan menjadi mesin waktu tangguh dalam visi inframerah yang akan mengintip lebih dari 13,5 miliar tahun ke masa lalu untuk mengetahui bagaimana bintang dan galaksi pertama terbentuk dan membawa kosmos keluar dari zaman kegelapan. Webb mampu melihat ke masa lalu sekitar 100-250 juta tahun setelah Big Bang.

Webb akan diluncurkan pada tahun 2021.

Hal Paling Menarik yang Akan Dipelajari

Kita belum mampu mengamati era dalam sejarah kosmos ketika galaksi pertama mulai terbentuk. Kita ingin mempelajari bagaimana galaksi awal memiliki lubang hitam supermasif di pusat galaksi, dan kita ingin mengetahui apakah lubang hitam itu yang menyebabkan galaksi terbentuk atau sebaliknya.

Kita belum mampu menembus awan debu, lokasi bintang dan planet dilahirkan dalam resolusi tinggi, tetapi Webb diharapkan mampu mengatasinya. Kita tidak tahu berapa banyak sistem planet yang ramah terhadap kehidupan, tetapi Webb diharapkan dapat memberi tahu kita apakah beberapa planet mirip Bumi memiliki cukup kandungan air setara lautan di permukaan.

Kita tidak tahu banyak tentang materi gelap atau energi gelap, tetapi kita berharap untuk mengungkap misteri yang melingkupi materi gelap dan sejarah akselarasi ekspansi kosmos terkait eksistensi energi gelap.

Tentu masih banyak kejutan lain yang tidak bisa kita bayangkan!

Webb adalah Teleskop Inframerah

Dengan melihat alam semesta pada panjang gelombang inframerah, Webb akan mengungkap fenomena yang belum pernah diamati oleh jajaran teleskop lainnya. Hanya pada panjang gelombang inframerah kita dapat melihat proses penciptaan bintang dan galaksi pertama setelah Big Bang. Hanya dengan cahaya inframerah kita dapat menyaksikan proses yang membentuk bintang dan sistem planet di dalam awan debu yang tidak bisa ditembus cahaya kasat mata.

Tujuan sains utama Webb adalah untuk mempelajari pembentukan galaksi, bintang, dan planet di alam semesta. Untuk melihat bintang dan galaksi pertama yang tercipta di alam semesta awal, kita harus melihat jauh ke ruang angkasa untuk menembus masa lalu (karena cahaya membutuhkan waktu untuk mencapai kita, semakin jauh kita menatap semakin jauh pula kita melihat ke masa lalu).

Ekspansi kosmos mengakibatkan pergeseran merah pada cahaya bintang-bintang pertama.
Kredit: NASA

Alam semesta terus mengembang, oleh karena itu semakin jauh kita menatap kosmos, semakin lebih cepat objek-objek kosmik bergerak menjauhi kita dan mengubah cahaya. Pergeseran merah (redshift) berarti cahaya yang dipancarkan sebagai sinar ultraviolet atau cahaya kasat mata pada spektrum elektromagnetik, akan semakin bergeser ke warna merah dalam panjang gelombang menjadi inframerah-dekat dan inframerah-tengah untuk pergeseran merah yang sangat tinggi.

Untuk mempelajari generasi pertama bintang dan galaksi, kita harus mengamati komsos dalam cahaya inframerah menggunakan teleskop dan instrumen yang telah dioptimalkan untuk cahaya ini.

Proses pembentukan bintang dan planet di lingkungan lokal kosmik berlangsung di pusat awan molekuler yang tebal dan berdebu, dan tidak akan terungkap jika hanya diamati pada panjang gelombang cahaya kasat mata. Cahaya inframerah-dekat, panjang gelombang yang lebih panjang dari cahaya kasat mata, mampu menembus debu untuk secara langsung mengintip pusat awan yang mengarah ke proses pembentukan bintang dan planet.

Objek astronomi yang kisaran suhunya kurang lebih sama dengan suhu Bumi memancarkan sebagian besar radiasi mereka pada panjang gelombang inframerah-tengah. Suhu seperti ini juga ditemukan di wilayah-wilayah berdebu yang membentuk bintang dan planet, sehingga dengan radiasi inframerah-tengah kita dapat melihat proses pembentukan bintang dan planet.

Teleskop yang dioptimalkan pada panjang gelombang inframerah mumpuni untuk menembus awan debu tempat kelahiran bintang dan planet.

Kualitas Gambar Webb Mengatasi Hubble, Webb Juga Dilengkapi Visi Cahaya Kasat Mata

Kita akan melihat fenomena yang selama ini belum pernah kita lihat.

Keindahan dan kualitas gambar astronomi tergantung pada dua faktor, ketajaman dan jumlah piksel dalam kamera. Dalam kedua faktor ini, Webb setara dan cenderung lebih baik daripada Hubble. Meskipun Webb akan menghasilkan gambar inframerah, komputer akan menerjemahkannya menjadi gambar optik (seperti Spitzer yang juga telah menghasilkan gambar optik indah berkualitas).

Selain itu, Webb juga dapat melihat warna oranye dan merah pada cahaya kasat mata. Gambar yang dihasilkan Webb memang berbeda, tetapi sama indahnya dengan Hubble.

Target Sains Pertama Webb

Target pertama Webb ditentukan melalui proses yang juga diterapkan ke Teleskop Antariksa Hubble, melibatkan NASA, ESA, CSA dan partisipan komunitas ilmiah. Target teknis pertama akan digelar terlebih dahulu sebelum target sains pertama, untuk menyelaraskan segmen lensa dan memfokuskan teleskop.

Perbandingan Webb dengan Kepler

Ilustrasi teleskop antariksa Kepler.
Kredit: NASA

Misi Kepler dirancang untuk menjawab pertanyaan sederhana. Berapa persentase bintang yang diorbit planet (terestrial) di dalam atau di dekat zona layak huni?

Zona layak huni adalah wilayah di sekitar bintang yang berpotensi menopang air cair di permukaan planet. Kepler berusaha menjawab pertanyaan ini dengan menatap petak kecil langit yang mengandung sekitar 100.000 bintang selama 3,5 tahun untuk menemukan transit planet terestrial, sekaligus menentukan persentase bintang yang diorbit planet terestrial.

Untuk menjawab pertanyaan ini, Kepler menghasilkan database besar planet transit yang dikonfirmasi bersama dengan beberapa sifat alamiahnya. Setelah planet-planet ini ditemukan, kita membutuhkan instrumen yang tepat untuk mempelajari sifat fisik dan komposisi atmosfer.

Webb juga menyediakan instrumen khusus untuk studi serupa. Kepler dirancang untuk menjadi teleskop survei “lebar dan dangkal”, sedangkan Webb dirancang untuk fokus ke studi “sempit dan mendalam” melalui pencitraan inframerah-tengah dan spektroskopi.

Perbandingan Webb dengan TESS

Ilustrasi Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS).
Kredit: NASA

Webb adalah observatorium besar yang dirancang untuk menjawab berbagai pertanyaan di banyak bidang astrofisika, sementara TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) fokus pada pengidentifikasian sampel besar planet-planet relatif kecil untuk ditindaklanjuti oleh teleskop saat ini atau masa depan.

TESS mengidentifikasi planet-planet kecil dan mengukur diameternya, sementara massa planet ditentukan oleh observasi tindak lanjut. Setelah informasi terkait masa dan ukuran diperoleh, kita dapat menentukan masa jenis planet dan memahami komposisinya. Penelitian ini akan menjadi pondasi misi masa depan untuk menemukan planet yang berpotensi layak huni.

TESS akan memperluas sensus misi eksoplanet Kepler dengan menargetkan bintang terdekat yang lebih terang sehingga observasi tindak lanjut lebih mudah dilakukan. Bintang-bintang yang diteliti oleh TESS sekitar 30-100 kali lebih terang daripada bintang-bintang yang sebelumnya disurvei Kepler.

Perbandingan Webb dengan Herschel

Ilustrasi Observatorium Antariksa Herschel.
Kredit: NASA

Webb adalah teleskop 6,5 m yang sensitif terhadap cahaya kasat mata berwarna emas hingga inframerah-tengah, pada panjang gelombang mulai dari 0,6 mikrometer hingga 28,5 mikrometer. Sedangkan Herschel adalah teleskop 3,5 m yang sensitif terhadap inframerah-jauh dari panjang gelombang 55-670 mikrometer.

Beroperasi pada panjang gelombang yang lebih panjang, Herschel didesain untuk melihat objek kosmik yang lebih dingin, seperti tahap awal pembentukan bintang di awan-awan gelap dan emisi dari molekul seperti air. Webb didesain untuk melihat fenomena alam yang jauh lebih energik termasuk proses pembentukan protobintang dan galaksi jauh. Kombinasi antara data observasi Webb dan Herschel menyediakan gambaran yang lebih lengkap terkait fenomena astrofisika.

Perbandingan Webb dengan Hubble

Teleskop antariksa Hubble NASA.
Kredit: The Verge

Teleskop Antariksa James Webb dirancang untuk menatap ruang angkasa jauh, mempelajari bintang dan galaksi yang pertama kali terbentuk di alam semesta awal dan menembus ke dalam awan debu di lingkungan kosmik terdekat untuk mempelajari proses pembentukan bintang dan planet.

Demi tujuan ini, lensa primer Webb dirancang jauh lebih besar daripada Hubble (diameter 2,5 kali lebih besar atau sekitar 6 kali bidang pandang lebih luas), untuk memberikan daya yang lebih besar dalam pengumpulan cahaya. Webb juga dilengkapi instrumen inframerah dengan cakupan panjang gelombang yang lebih panjang dan sensitivitas yang jauh lebih baik daripada Hubble.

Lokasi penempatan Webb juga akan lebih jauh dari Bumi, beroperasi pada suhu yang sangat dingin, stabilitas arah dan efisiensi pengamatan juga lebih baik dibandingkan Hubble.

Mengabadikan Gambar Eksoplanet

Ilustrasi sebuah eksoplanet.

Webb akan mengungkap komposisi atmosfer eksoplanet menggunakan metode transit, metode observasi saat sebuah planet melintas di depan bintang induk. Webb juga dilengkapi koronograf untuk mencitrakan eksoplanet di dekat bintang terang (jika planet berukuran besar dan berada jauh dari bintang), meskipun gambar yang dihasilkan hanya terlihat sebagai sebuah titik, bukan panorama besar.

Pertimbangkan seberapa jauh jarak eksoplanet dari kita dan seberapa kecil ukuran mereka! Kita bahkan belum sepenuhnya memahami Pluto, anggota tata surya kita sendiri, sampai kita mengirim misi pesawat antariksa ke sana

Mencitrakan Objek Tata Surya

Webb akan meneliti planet-planet tata surya di sepanjang atau di luar orbit Mars, termasuk satelit alami, komet, asteroid, dan objek Sabuk Kuiper. Banyak molekul, es, dan mineral penting lainnya yang dapat diteliti dalam cakupan panjang gelombang Webb. Selain itu, Webb juga akan memantau cuaca di planet-planet dan bulan-bulan mereka.

Karena teleskop dan instrumen harus tetap dingin, perisai surya Webb justru menghalangi orientasi sudut pandang wilayah terdalam tata surya. Berarti Matahari, Merkurius, Venus, Bumi dan Bulan, Merkurius dan near-Earth Object (NEO) tidak bisa diamati Webb.

Seberapa Jauh Webb Menembus Waktu?

Webb mampu mengamati jagat raya seperti yang terlihat sekitar seperempat miliar tahun (mungkin hingga 100 juta tahun) setelah Big Bang, masa ketika bintang dan galaksi pertama mulai terbentuk.

Rencana Peluncuran dan Durasi Misi Webb

Webb akan diluncurkan pada tahun 2021 dari Guyana Prancis menunggangi roket Ariane 5 ESA (Badan Antariksa Eropa). Webb didesain untuk melaksanakan misi setidaknya selama 5,5 tahun dan bisa tetap beroperasi lebih dari 10 tahun. Durasi misi dibatasi oleh konsumsi bahan bakar untuk mempertahankan orbit dan usia pakai komponen Webb seiring berlalunya waktu di lingkungan ruang angkasa yang keras.

Urut-Urutan Misi dan Pengumpulan Data Sains

Jam pertama: setelah lepas landas, roket Ariane akan memberikan dorongan selama lebih dari 8 menit. Webb kemudian memisahkan diri dari Ariane V setengah jam setelah peluncuran dan akan segera mengembangkan solar array. Webb juga akan melepas beberapa sistem yang dikunci selama peluncuran.

Hari pertama: Dua jam setelah peluncuran, Webb akan mengembangkan antena receiver. Dua belas jam setelah peluncuran, mesin roket kecil Webb akan melakukan manuver koreksi lintasan pertama secara otonom.

Minggu pertama: Manuver koreksi lintasan kedua akan berlangsung selama 2,5 hari setelah peluncuran. Webb akan segera memulai urutan pemasangan instrumen. Rangkaian pertama adalah palet sunshield depan dan belakang, diikuti pelepasan sub-sistem yang masih terkunci. Kemudian teleskop dan pesawat antariksa Webb akan memisahkan diri sekitar 2 meter untuk merakit antena receiver. Pemasangan perisai sunshield secara lengkap dengan lipatan dan penegang membran mulai dilakukan. Pada hari keenam lensa sekunder dipasang, diikuti oleh sayap samping lensa primer.

Bulan pertama: Saat teleskop mendingin di bawah naungan sunshield, Webb akan memanaskan elektronik dan menginisialisasi perangkat lunak penerbangan. Pada akhir bulan pertama, dilakukan koreksi lintasan untuk memastikan Webb telah mencapai orbit terakhirnya di sekitar L2. Meskipun suhu teleskop tetap dingin selama beroperasi, ISIM akan selalu dihangatkan dengan pemanas listrik untuk mencegah terjadinya kondensasi pada instrumen.

Bulan kedua: 33 hari setelah peluncuran, Webb akan menghidupkan dan mengoperasikan Fine Guidance Sensor, kemudian NIRCam dan NIRSpec. Gambar pertama yang diambil oleh NIRCam adalah bidang gugus yang dipenuhi bintang untuk memastikan agar cahaya menembus ke dalam instrumen teleskop. Karena segmen lensa utama belum sejajar, hasil gambar akan kurang terfokus. 44 hari setelah peluncuran, Webb akan memulai proses penyesuaian segmen lensa utama. Pertama-tama Webb akan mengidentifikasi setiap segmen lensa dengan gambar bintang di kamera. Webb juga akan memfokuskan lensa sekunder.

Bulan ketiga: Antara 60-90 hari setelah peluncuran, Webb akan menyelaraskan segmen lensa utama agar mereka dapat dioperasikan sebagai satu permukaan optik. Webb juga akan menghidupkan dan mengoperasikan MIRI. Pada akhir bulan ketiga Webb akan memperoleh gambar sains berkualitas pertamanya. Pada saat itu juga, Webb akan menyelesaikan perjalanannya ke posisi orbit L2.

Bulan keempat hingga keenam: Sekitar 85 hari setelah peluncuran, Webb akan menyelesaikan optimalisasi gambar NIRCam. Selama 1,5 bulan berikutnya Webb akan mengoptimalkan gambar rangkaian instrumen lainnya. Webb akan menguji dan mengkalibrasi kemampuan semua instrumen dengan mengamati target representatif sains.

Setelah enam bulan: Webb akan memulai misi sains dan mulai melakukan operasi sains secara rutin.

Daya Tahan Webb

Titik kedua Lagrange (L2).
Kredit: NASA

Titik Lagrangian adalah “tempat parkir” ideal bagi pesawat antariksa di luar angkasa karena keseimbangan tarikan gaya gravitasi antara dua objek kosmik, misalnya Bumi dan Matahari. Webb akan dioperasikan pada titik kedua Lagrange (L2) Matahari-Bumi, yang terletak sekitar 1,5 juta km dari Bumi, dan akan berada di luar jangkauan wahana berawak apa pun hingga satu dekade berikutnya.

Hubble yang beroperasi di orbit rendah Bumi, hanya terpisah sekitar 600 km dari Bumi sehingga mudah diakses untuk servis berkala. Pada hari-hari pertama proyek Webb, penelitian dilakukan untuk mengevaluasi manfaat, kepraktisan dan biaya servis Webb baik oleh penerbangan antariksa berawak, misi robotik, atau dengan beberapa kombinasi seperti perbaikan ke orbit rendah Bumi.

Studi yang dilakukan menyimpulkan manfaat potensial servis tidak mengimbangi peningkatan kompleksitas misi, masa dan biaya operasional Webb, atau untuk melakukan misi servis itu sendiri.

Potensi Ancaman Mikro Meteoroid

Semua sistem Webb dirancang untuk bertahan dari dampak mikro meteoroid.

NASA telah menguji cakram berilium untuk menghadapi serangan mikro meteoroid. Hasil uji coba memperlihatkan daya tahan berilium yang sama sekali tidak terpengaruh efek mikro meteoroid. Lensa berilium kriogenik juga telah diterbangkan ke luar angkasa agar terpapar mikro meteoroid dan sama sekali tidak terpengaruh. Lensa utama Teleskop Antariksa Spitzer yang diluncurkan pada tahun 2003 juga terbuat dari berilium.

Segmentasi Lensa Utama

Lensa utama Webb sangat besar sehingga tidak bisa masuk ke dalam roket, oleh karena itu perlu disegmentasi.

Lensa harus berukuran besar untuk melihat cahaya redup dari wilayah-wilayah pembentuk bintang generasi pertama dan untuk melihat detail yang sangat kecil pada panjang gelombang inframerah. Merancang, membangun dan mengoperasikan bentangan lensa adalah salah satu perkembangan teknologi utama Webb. Bentangan lensa dianggap krusial untuk misi di masa depan yang akan menggunakan lensa berukuran lebih besar dan akan diaplikasikan dalam misi antariksa sains, sipil dan militer lainnya.

Lensa Heksagonal Webb

Kredit: NASA

Bentuk heksagonal memungkinkan segmentasi lensa untuk dikonstruksi tanpa celah mendekati bentuk bundar dan hanya membutuhkan 3 variasi resolusi.

Bentuk heksagonal juga memungkinkan segmentasi lensa dengan “high filling factor dan simetri enam kali lipat”. High filling factor berarti setiap ruas dapat bersatu tanpa meninggalkan celah. Jika bentuk segmen melingkar, tentunya akan ada celah di antara mereka. Simetri Webb sangat ideal karena hanya membutuhkan 3 resolusi optik berbeda untuk seluruh (18) segmen, (masing-masing 6 resolusi).

Akhirnya, NASA mendesain bentuk lensa yang melingkar untuk memfokuskan cahaya ke area paling ringkas pada detektor. Cermin oval, misalnya, akan memberikan gambar yang memanjang dalam satu arah, sedangkan cermin persegi akan mengeluarkan cahaya dari wilayah tengah.

Lima Lapis Perisai Surya

Perisai surya Webb sangat besar, seukuran lapangan tenis dan terbuat dari lima lapisan tipis film isolasi yang disebut Kapton. Kenapa harus lima lapisan? Sebuah perisai surya tebal berukuran besar lebih menghantarkan panas dari bawah ke atas daripada lima lapisan perisai surya yang dipisahkan oleh ruang hampa.

Dengan lima lapis perisai surya, setiap lapisan berturut-turut lebih dingin daripada lapisan yang ada di bawahnya. Panas memancar keluar dari antara lapisan dan ruang hampa di antara lapisan adalah isolator yang sangat baik. Dari penelitian yang dilakukan pada awal pengembangan misi, lima lapisan perisai surya ternyata lebih baik dalam proses pendinginan.

Lebih banyak lapisan berarti menyediakan pendinginan tambahan, tetapi juga berarti lebih banyak massa dan kompleksitas. NASA memilih lima lapisan sebagai sistem pendingin dengan beberapa “margin” atau faktor keamanan. Enam lapisan atau lebih tidak akan memberikan manfaat tambahan apa pun.

Webb memiliki kerai surya besar untuk melindungi teleskop dari pemanasan sinar Matahari. Kerai surya akan menjaga Webb untuk mendingin hingga suhu di bawah -223 °C, dengan secara pasif menyalurkan panas ke ruang angkasa. (Fakta seru: Kita bahkan bisa merebus air di sisi panas perisai surya dan membekukan nitrogen di sisi dingin perisai surya.)

Tipe Teleskop Antariksa James Webb

Webb adalah sebuah teleskop reflektif yang menggunakan 3 lensa cekung, atau 3 sistem lensa anastigmat.

Mengapa Tidak Merakit Webb di Dalam Orbit?

Berbagai skenario dipelajari dan perakitan di dalam orbit dianggap tidak layak dilakukan.

Pada tahap paling awal studi kelayakan, NASA telah mempelajari perakitan di dalam orbit untuk teleskop The Next Generation Space Telescope (NGST). Hingga saat ini, Stasiun Luar Angkasa Internasional tidak memiliki kemampuan untuk merakit struktur presisi optik. Selain itu, lingkungan di sekitar Stasiun Luar Angkasa tidak cocok bagi lensa terbuka Webb dan justru akan merusak optik.

Apabila perakitan Webb dilakukan jauh di atas Orbit Rendah Bumi, maka banyak puing-puing antariksa di sana. Akhirnya, jika Stasiun Luar Angkasa digunakan sebagai titik pemberhentian Webb, maka dibutuhkan roket kedua untuk meluncurkannya ke tujuan akhir di L2. Observatorium harus dirancang dengan massa yang jauh lebih besar demi “peluncuran kedua”, sehingga mengurangi massa yang dibutuhkan untuk lensa dan instrumen sains.

Siapakah James Webb?

James E. Webb, Administrator Kedua NASA
Kredit: Wikipedia

Observatorium berbasis antariksa ini menyandang nama James E. Webb (1906-1992), Administrator NASA kedua. Webb terkenal karena bertanggung jawab atas misi Apollo, serangkaian program eksplorasi yang berhasil mendaratkan manusia pertama di Bulan. Selain itu, Webb juga memprakarsai program sains antariksa dan bertanggung jawab atas lebih dari 75 misi peluncuran selama menjabat, termasuk wahana penjelajah antarplanet pertama Amerika.

Ditulis oleh: Staf jwst.nasa.gov

Sumber: Faq Lite James Webb Space Telescope

#terimakasihgoogle dan #terimakasihnasa