Selamat Memasuki Masa Purna Tugas, Spitzer!

Pada tanggal 30 Januari 2020 lalu, Teleskop Ruang Angkasa Spitzer secara resmi memasuki masa purna tugas. Setelah menjalankan misinya sejak diluncurkan pada tanggal 25 Agustus 2003, akhirnya NASA menyatakan berakhirnya misi Spitzer di ruang angkasa. Akhirnya, setelah 16 tahun, Spitzer pensiun!

Empat Observatorium Besar

Seluruh informasi mengenai alam semesta yang kita ketahui diperoleh dari pengamatan sinar kosmik dalam seluruh spektrum elektromagnetik yang dipancarkannya. Untuk itu, manusia memerlukan teleskop/instrumen pengamat yang mengamati alam semesta dalam berbagai spektrum elektromagnetiknya.

The Four Great Observatories atau Empat Observatorium Besar adalah program NASA untuk mengamati ruang angkasa pada berbagai panjang gelombang pada spektrum elektromagnetik. Setiap observatorium/teleskop anggotanya memiliki spesialisasi pengamatan pada panjang gelombang/jenis pancaran sinar tertentu. Ditempatkan di luar atmosfer Bumi, keempat observatorium tersebut adalah:

• Compton Gamma Ray Observatory (sinar gamma) – misi berakhir 2007
• Chandra X-Ray Observatory (sinar X) – operasional
• Hubble Space Telescope (visible/cahaya tampak) – operasional
• Spitzer Space Telescope (cahaya inframerah) – misi berakhir 30 Januari 2020

Untuk merayakan suksesnya misi Spitzer, tulisan kali ini akan khusus membahas mengenai Spitzer: riwayat hidupnya, spesialisasinya, dan kontribusinya.

Mengapa Inframerah?

Sebagaimana telah disebutkan, Teleskop Ruang Angkasa (TRA) Spitzer memiliki spesialisasi pada pengamatan sinar inframerah. Sinar ini identik dengan panas. Apabila pembaca pernah melihat kamera pendeteksi panas, sinar inframerah inilah yang digunakan untuk mengamati.

Sinar inframerah adalah bagian dari radiasi elektromagnetik, dengan panjang gelombang sedikit lebih panjang (antara 3 hingga 180 mikron, di mana 1 mikron sepersejuta dari satu meter) daripada sinar tampak (380 nm dan 760 nm, di mana 1 nanometer adalah sepermiliar dari satu meter). Sinar inframerah tidak dapat ditangkap (tidak terlihat) oleh mata manusia, namun keberadaannya sangat penting, khususnya dalam pengamatan ruang angkasa.

Mengapa demikian? Begini. Benda-benda yang terlalu dingin untuk menghasilkan sinar tampak akan menghasilkan sinar inframerah. Contoh: tubuh manusia dan binatang. Tubuh kita tidak memancarkan cahaya tampak (namun hanya memantulkan sinar matahari) namun memancarkan sinar inframerah yang dapat ditangkap oleh kamera khusus. Kondisi inilah yang digunakan dalam teknologi pengamatan malam hari/night vision/penangkap panas. Demikian halnya dengan benda langit seperti asteroid, planet, awan debu dan gas yang melahirkan bintang dan planet. Semua benda langit dengan suhu di atas nol Kelvin (nol absolut, -273,15 ºC) memancarkan inframerah.

Keunggulan Teleskop Di Luar Atmosfer Bumi

Mengapa para ilmuwan perlu menempatkan Empat Observatorium Besar di luar permukaan Bumi? Apakah observatorium/teleskop di permukaan Bumi tidak dapat melakukan pengamatan di panjang gelombang spektrum elektromagnetik yang menjadi spesialisasi keempat observatorium besar, dalam kasus Spitzer, sinar inframerah?

Pengamatan dengan sinar inframerah dari permukaan Bumi memiliki beberapa kelemahan:

• Sebagian sinar inframerah yang dipancarkan objek ruang angkasa terhalang oleh atmosfer Bumi.

Sinar inframerah diserap oleh uap air dan karbondioksida di atmosfer Bumi, hanya sebagian yang diteruskan dan dapat diamati oleh teleskop di Bumi. Teleskop Bumi hanya dapat mengamati pancaran inframerah pada panjang gelombang tertentu yang disebut “Jendela Atmosfer Inframerah” atau “Infrared Atmospheric Window”.

• Gangguan inframerah ambien/lingkungan dalam sistem atmosfer Bumi.

Sebagaimana sinar matahari “mengalahkan” sinar bintang ketika siang hari (sehingga kita tidak dapat melihat bintang di siang hari), demikian pula sinar inframerah yang dihasilkan oleh atmosfer dapat “mengalahkan” sinar inframerah yang diterima dari objek ruang angkasa, sehingga tidak dapat terlihat pada instrumen pengamatan inframerah. Situasi inframerah di atmosfer Bumi terlalu “ribut” untuk sinar inframerah kosmik yang lemah untuk dapat “didengar”.

Dengan menempatkan teleskop Spitzer di ruang angkasa, pengamatan sinar inframerah kosmik tidak lagi terhalang oleh atmosfer atau terganggu oleh sinar inframerah yang dihasilkan oleh atmosfer Bumi itu sendiri.

Mengenal Spitzer: Sejarah

Perjalanan misi Spitzer dimulai jauh sebelum wahana tersebut diluncurkan ke angkasa. Pada  dekade 60-an hingga 70-an, para ilmuwan berusaha menempatkan teleskop pada wahana seperti balon udara dan pesawat jet untuk mendapatkan ketinggian yang tidak dipengaruhi oleh dinamika atmosfer bawah.

Menyadari adanya manfaat pengamatan di luar atmosfer Bumi, pada tahun 1983 NASA, (Amerika Serikat) bersama dengan Inggris Raya dan Belanda meluncurkan the Infrared Astronomical Satellite (IRAS). Program yang berlangsung 10 bulan ini meraih sukses besar. Inilah pertama kalinya para ilmuwan memahami betapa besarnya manfaat yang dapat diperoleh melalui pengamat inframerah dari luar atmosfer Bumi.

Dengan keberhasilan program IRAS, pihak terkait diminta untuk membuat laporan mengenai misi-misi antariksa baik di permukaan bumi maupun di ruang angkasa untuk dekade mendatang. Laporan tersebut dirilis pada tahun 1991, disebut Bahcall Report (Laporan Bahcall).

Dalam laporan tersebut, disebutkan bahwa tahun 1990-an adalah “Dekade Inframerah” dan bahwa teleskop ruang angkasa dengan spesialisasi pengamatan inframerah merupakan program prioritas dalam dekade mendatang. Misi inilah yang akhirnya menjadi Spitzer.

Tak lama setelah Laporan Bahcall diterbitkan, NASA mengalami pemotongan anggaran yang cukup signifikan. Akibatnya, beberapa misi keplanetan dibatalkan, dan misi-misi lainnya harus mengalami penyesuaian, termasuk Spitzer. Dalam lima tahun misi Spitzer mengalami berbagai penyesuaian. Spitzer yang awalnya direncanakan sebagai observatorium besar dengan biaya pembuatan lebih dari 2,2 triliun dolar disesuaikan menjadi teleskop kecil (namun masih sangat sensitif/kuat) dengan biaya pembangunan sebesar 0,5 triliun dolar saja.

Bagaimana para ilmuwan dan insinyur mempertahankan integritas dan kualitas misi di tengah pemotongan anggaran? Dengan kreativitas dan inovasi teknologi!! Apa saja inovasi tersebut?

• Peluncuran Hangat (Warm Launch) Untuk dapat mendeteksi pancaran inframerah (panas) kosmik yang lemah, peralatan dalam Spitzer harus didinginkan mendekati nol absolut (nol Kelvin, -273,15 ºC) Awalnya, direncanakan bahwa teleskop akan diluncurkan dalam kondisi sepenuhnya diliputi oleh helium cair sebagai pendingin/kriogen (peluncuran dingin atau Cold Launch). Namun dengan adanya pemotongan anggaran, diputuskan bahwa hanya instrumennya saja yang akan didinginkan dengan helium cair. Inilah yang disebut dengan peluncuran hangat. Dengan demikian, dana yang ada dapat dioptimalkan untuk mempertahankan kualitas teleskop dan durasi misi, daripada untuk membiayai transportasinya secara dingin.

• Orbit Khusus: pada umumnya, satelit diluncurkan mengorbit Bumi. Tidak demikian halnya dengan Spitzer. Spitzer diluncurkan untuk mengorbit Matahari persis di belakang Bumi. Saat peluncurannya dengan roket Delta, Spitzer dan Delta harus mencapai kecepatan sedikit lebih besar daripada kecepatan lepas Bumi, yaitu kecepatan yang diperlukan untuk lepas dari pengaruh gaya gravitasi Bumi. Setelah lepas dari gravitasi Bumi, Spitzer menguntit Bumi dalam trayeknya mengelilingi Matahari, semakin lama semakin menjauh dari Bumi. Spitzer menjauh dari bumi sebesar 15 juta kilometer per tahun.

Orbit khusus ini tentunya membawa manfaat tersendiri bagi Spitzer. Karena posisinya yang mengikuti Bumi mengelilingi Matahari (dan bukan mengorbit Bumi), Spitzer tidak memerlukan manuver khusus untuk menghindari tabrakan dengan Bumi. Selain itu, medan pengamatan Spitzer menjadi lebih luas karena tidak terhalang oleh Bumi.

Orbit Spitzer yang jauh dari Bumi ini juga sangat membantu dalam proses pendinginan instrumen. Spitzer tidak terpengaruh oleh inframerah/panas yang dihasilkan oleh Bumi. Lingkungan sekitarnya yang dingin juga memudahkan Spitzer melakukan pelepasan panas pasif secara radiasi. Dengan mengalirkan helium cair ke instrumen yang sudah dingin karena pendinginan radiatif, instrumen akan dapat lebih dingin lagi, meningkatkan sensitivitas akan pancaran sinar inframerah (panas) yang lemah dari ruang angkasa.

Meskipun demikian, orbit khusus ini bukannya tanpa kelemahan. Posisi Spitzer yang lepas dari medan gravitasi Bumi menyebabkannya menjauh dari Bumi setiap tahun. Hal ini akan menempatkan Spitzer pada posisi geometri orbital yang unik, di mana untuk melakukan komunikasi dengan Bumi (mengirimkan hasil atau menerima perintah) Spitzer harus memposisikan dirinya menghadap Bumi setiap 24 – 48 jam sekali. Ketika menghadap Bumi, panel surya yang menjadi sumber energi utama akan memunggungi Matahari, sehingga Spitzer harus bergantung pada baterai. Tentunya, daya tahan baterai ini yang menjadi pembatas waktu komunikasi dengan Bumi. Selain itu, ketika menghadap Bumi, beberapa instrumen yang seharusnya tetap berada di kegelapan akan menghadap Matahari langsung, dengan resiko overheating. Fakta bahwa Spitzer bisa bertahan selama 16 tahun membuktikan betapa luar biasanya tim di belakang Spitzer.

Misi dan Instrumen Spitzer

Wahana Spitzer termasuk “kecil” dari segi ukuran. Spitzer dilengkapi dengan cermin berdiameter 33 inci (85 cm, seukuran hula hop) namun jauh lebih sensitif daripada teleskop serupa di permukaan bumi yang berdiameter 10 m atau 33 kaki. Selain cermin ini, Spitzer dilengkapi tiga buah instrumen yang didinginkan secara kriogenik yang akan dibahas lebih lanjut di bawah ini.

Selama 16 tahun “mengudara”, misi Spitzer dibagi menjadi dua fase utama, yaitu:

• Fase Kriogenik (fase dingin, 2003 – 2009): 

Pada fase ini pengamatan sinar inframerah kosmik dilakukan dalam rentang panjang gelombang 3 micron – 160 micron. Untuk dapat mendeteksi pancaran sinar inframerah (panas) yang sangat lemah dari ruang angkasa, instrumen di dalam Spitzer harus berada dalam kondisi sangat dingin, mendekati nol absolut.

Spitzer diluncurkan dengan dengan suhu ambien (lingkungan). Begitu memasuki orbitnya mengelilingi Matahari, Spitzer melakukan proses pendinginan pasif melalui pendinginan radiatif dimana wahana melepaskan panas ke lingkungan sekitarnya (ruang angkasa) yang dingin. Proses ini berlangsung selama 3 bulan pertama hingga suhu wahana mencapai sedikit di bawah 40 Kelvin (-233 ºC). Setelah itu, instrumen dan teleskop didinginkan dengan uap helium cair hingga mencapai suhu optimum operasional Spitzer, yaitu 5,5 Kelvin (-268 ºC).

Sistem kriogenik ini direncanakan dapat bertahan minimal selama 2,5 tahun, namun dalam kenyataannya mampu bertahan hingga 5,5 tahun. Ketika pendingin kriogenik habis pada 15 Mei 2009, fase misi Kriogenik dinyatakan berakhir.

Instrumen kriogenik pada Spitzer meliputi:

• • • Infrared Array Camera (IRAC) – pencitraan simultan pada panjang gelombang 3,6; 4,5; 5,6; and 8,0 mikron
    • Infrared Spectrograph (IRS) – spektroskopi (analisa spektrum) beresolusi tinggi dan rendah pada panjang gelombang 5 – 40 mikrons plus pecitraan panjang gelombang 16 mikron
    • Multiband Imaging Photometer – pencitraan pada panjang gelombang 24, 70, and 160 mikron plus spektroskopi resolusi rendah mulai panjang gelombang 50 – 100 mikron

• Fase Hangat (2009-2020):

Setelah pendingin kriogenik habis, Spitzer memasuki fase hangat mulai Juli 2009 dengan temperatur operasional 28 Kelvin (-245,15 ºC). Dalam fase ini, Spitzer hanya mengandalkan pendinginan radiatif sebagai satu-satunya cara mempertahankan suhu instrumennya.

Pada tahapan ini, kamera IRAC panjang gelombang 3,6 dan 4,5 masih bekerja maksimal, sehingga para astronom menggunakannya untuk mempelajari berbagai hal mulai komet, asteroid, tata surya, eksoplanet dan galaksi-galaksi terjauh di ruang angkasa. Spitzer adalah teleskop inframerah paling sensitif untuk panjang gelombang tersebut dalam sejarah.

Fase Hangat ini berlangsung hingga 11 tahun, menjadikan total masa operasional Spitzer menjadi 16 tahun.

Kontribusi Saintifik Spitzer

Enam belas tahun bukanlah waktu yang singkat untuk mengumpulkan berbagai informasi dari luar angkasa. Spitzer memberikan banyak sekali kontribusi keilmuan, yang bahkan hingga saat ini masih dipelajari. Data dari Spitzer dipublikasikan bagi publik dalam kurun waktu satu tahun sejak diperoleh, dan akan tetap tersedia bagi publik dan ilmuwan untuk mempelajarinya hingga waktu yang belum ditentukan. Selain itu, publik dan ilmuwan dapat juga mempelajari sekitar 87.000 publikasi ilmiah yang dihasilkan dari data Spitzer.

Beberapa temuan Spitzer yang penting antara lain:

• • Tata Surya, Komet dan Asteroid
    • Pengukuran komposisi debu komet
    • Mengidentifikasi cincin baru di planet Saturnus
    • Mempelajari ‘Oumuamua, asteroid antarbintang
  • Pembentukan dan kelahiran bintang, awan molekuler raksasa dan nebula
  • Piringan/cakram protoplanet dan pembentukan sistem keplanetan
    • Spitzer menemukan bahwa planet dapat terbentuk di sekeliling bintang muda lebih cepat dari yang diperkirakan sebelumnya
    • Mengamati bukti adanya tabrakan asteroid di cincin debu di sekeliling bintang
    • Menemukan bahwa semburan/suar Matahari panas dapat membentuk kristal silikat berukuran kecil yang dapat ditemukan di komet beku
    • Menemukan beberapa “bintang mati” (katai putih) yang dikelilingi oleh sisa-sisa asteroid yang hancur
  • Exoplanet (planet di luar tata surya)
    • Menemukan exoplanet batuan paling banyak yang mengelilingi bintang TRAPPIST-1.  Pada bintang ini terdapat tujuh exoplanet batuan serupa Bumi.
    • Deteksi pertama pancaran sinar langsung dari eksoplanet. Selama ini exoplanet ditemukan melalui metoda tidak langsung, seperti ketika planet melintas di depan bintang induknya
    • Identifikasi pertama molekul atmosfer exoplanet
    • Para ilmuwan Spitzer berhasil membuat peta cuaca explanet pertama dalam sejarah
    • Spitzer dan salah satu teleskop di permukaan Bumi berhasil menemukan exoplanet terjauh dalam sejarah
  • Evolusi bintang, kematian bintang, bintang bermassa rendah dan katai coklat
    • Kerjasama dengan berbagai observatorium untuk menyibak rahasia Nebula Kepiting
    • Bersama teleskop WISE menemukan bintang dingin tetangga dekat Matahari
  • Molekul dan debu antarbintang
    • Spitzer adalah yang pertama kali mendeteksi adanya buckyballs (molekul berbasis karbon dengan struktur unik) di ruang angkasa
  • Kuasar/inti aktif galaksi/lubang hitam supermasif
    • Spitzer menemukan dua lubang hitam terjauh yang pernah diamati
  • Evolusi galaksi dan galaksi kuno/jauh
    • Spitzer dan Hubble berhasil “menimbang” galaksi terjauh yang pernah diamati, dan menemukan bahwa galaksi tersebut lebih berat daripada yang diperkirakan sebelumnya
  • Gugus Galaksi
    • Spitzer, dengan bantuan empat teleskop lainnya berhasil mengidentifikasi protogugus (cikal bakal gugus galaksi) terjauh (dan dengan demikian yang tertua) yang pernah diamati

Penerus Spitzer

Teleskop Ruang Angkasa James Webb, yang akan diluncurkan pada tahun 2021, akan mengambil alih tugas Spitzer. Webb akan mengamati ruang angkasa pada rentang panjang gelombang yang serupa, bahkan tumpang tindih dengan Spitzer. Pada fase dingin, Spitzer mengamati ruang angkasa pada panjang gelombang 3 – 160 mikron. Webb akan mengamati langit pada rentang inframerah dengan panjang gelombang 0,6 hingga 28 mikron.

Bedanya, Webb akan dilengkapi dengan cermin yang berukuran 50 kali lebih besar dari Spitzer. Hal ini akan memberikan resolusi yang jauh lebih baik dari Spitzer, dan tentunya akan sangat membantu para ilmuwan dalam melakukan pengamatan langit dan menjawab pertanyaan-pertanyaan alam semesta yang baru mulai dieksplorasi oleh Spitzer.

Selamat atas pencapaian Spitzer dalam 16 tahun masa baktinya. Mari kita nantikan kiprah Webb pada tahun 2021!!!