Teleskop Antariksa James Webb, Penerus Hubble

April 2020, Teleskop Hubble memasuki masa bakti 30 tahun. Meskipun masih berfungsi sampai 2030/2040, teleskop antariksa James Webb telah disiapkan sebagai penerus.

Saat ini, mata dunia tengah tertuju pada Kourou, French Guiana, dimana teleskop tersebut akan diluncurkan pada tanggal 18 Desember 2021 mendatang. Sebelum diluncurkan, mari kita berkenalan dengan Sang Penerus Hubble: James Webb Space Telescope (JWST)!!

Perkenalkan: James Webb Space Telescope!!

James Webb Space Telescope (JWST) adalah teleskop antariksa inframerah terbesar, terkompleks dan terkuat yang pernah dibangun oleh umat manusia.  Dilengkapi dengan cermin berukuran kurang lebih 6,5 meter, JWST akan digunakan oleh para ilmuwan untuk mempelajari sejarah alam semesta, mulai terjadinya dentuman besar, terbentuknya bintang dan galaksi pertama, eksoplanet, hingga terbentuknya sistem tata surya dan kehidupan di Bumi. 

Proyek JWST merupakan kerjasama antara National Aeronautics and Space Administration (NASA – badan antariksa Amerika Serikat), European Space Agency (ESA – badan antariksa Uni Eropa), Canadian Space Agency (CSA – badan antariksa Kanada) betikut beberapa industri dan institusi partner. The Goddard Space Flight Center milik NASA bertanggung jawab atas pengembangan misi, dengan Northrop Gurmann sebagai partner industri utama dan Space Telescope Science Institute sebagai penanggung jawab operasional JWST setelah peluncurannya. 

Awalnya, JWST bernama “Next Generation Space Telescope” (NGST – Teleskop Ruang Angkasa Generasi Baru), namun sejak bulan September 2002 dinamai James Webb, yang merupakan nama Kepala Pelaksana NASA periode 1961 – 1968, sebagai penghormatan atas kontribusinya di dunia keantariksaan. 

Observatorium Webb merupakan bagian dari sistem JWST yang  berada di ruang angkasa (wahana yang berada di orbit). Berbentuk seperti perahu dengan layar terkembang, wahana ini terdiri dari empat bagian utama:

Optical Telescope Element (OTE – elemen teleskop optik)

OTE adalah “mata” dari JWST. OTE terdiri dari tiga struktur utama:

• Cermin: Primer dan Sekunder
  Cermin Primer terdiri dari 18 panel cermin heksagonal (segi enam) dengan ukuran total 6,5 meter. Cermin ini dibuat dari logam berilium yang dilapisi emas untuk meningkatkan kemampuannya dalam menangkap sinar inframerah yang redup/lemah. Dari kejauhan, cermin ini terlihat seperti sarang lebah!

• Penyangga belakang cermin
  Berfungsi sebagai “tulang belakang” cermin dan modul peralatan sains. Struktur ini tidak bergerak dan stabil, untuk memastikan cermin dan peralatan optik lainnya tidak melakukan getaran apapun saat mengumpulkan cahaya dapat mencapai fokus yang baik. Selain itu, struktur ini juga mampu mempertahankan kinerjanya meski bekerja pada temperatur -240°C!!

Modul Peralatan Sains Terpadu

Integrated Science Instrument Module (ISIM) membawa peralatan untuk eksplorasi sains:

• Mid-Infrared Instrument (MIRI – instrumen inframerah jarak menengah)
• Near Infrared Spectrograph (NIRSpec – spektrografi inframerah jarak dekat)
• Near Infrared Camera (NIC – kamera inframerah jarak dekat)
• Fine Guidance Sensor/Near Infrared Imager and Slitless Spectrograph (FGS-NIRISS – sensor pemandu halus/pengambil citra inframerah jarak dekat dan spektrografi tanpa bukaan)

Perisai Matahari (sunshield)

JWST dirancang untuk mendeteksi radiasi inframerah redup yang dipancarkan oleh benda langit yang sangat jauh dari Bumi. Pada intinya, sinar inframerah adalah jejak panas. Untuk dapat mendeteksi sinar inframerah redup/panas yang lemah tersebut, JWST harus beroperasi pada suhu sangat rendah. Perbedaan temperatur antara sensor inframerah JWST dan radiasi inframerah redup inilah yang menjadi dasar kerja teleskop inframerah. 

Untuk itu, JWST dilengkapi dengan lima lapis perisai Matahari seukuran lapangan tenis (21,197 m x 14,162 m) yang berfungsi seperti ‘payung’ bagi JWST, melindunginya dari radiasi panas Matahari, Bumi dan Bulan. Perisai ini akan selalu diposisikan di antara Matahari/Bumi/Bulan dan teleskop. Dibuat dari bahan khusus yang ringan bernama Kapton, perisai ini akan menangkap radiasi panas dari Matahari, Bumi dan Bulan dan melepaskannya kembali ke ruang angkasa. Dengan demikian, temperatur JWST dapat dipertahankan di bawah 50 Kelvin (-223°C). 

Selain mempertahankan temperatur kerja teleskop, perisai matahari juga berfungsi untuk memberikan lingkungan yang stabil dalam hal temperatur. Hal ini penting untuk mempertahankan keselarasan kepingan panel cermin utama ketika wahana menyesuaikan posisinya terhadap Matahari. 

Mengapa harus lima lapis? Secara umum, ruang hampa di antara lapisan-lapisan perisai berfungsi sebagai isolator dan tempat untuk melepaskan panas yang diterima oleh lapisan perisai. Ketika lapisan luar menerima panas, ruang hampa di antara lapisan luar dan lapisan berikutnya akan menjadi ruang bagi panas tersebut untuk dilepaskan. Lapisan di bawahnya hanya menerima sisa panas yang belum dilepaskan, dan demikian seterusnya. Lapisan paling dalam hanya menerima sangat sedikit dari panas tersebut.  Apabila perisai hanya terdiri dari satu lapisan tebal, perisai tersebut justru akan menjadi konduktor panas dari sisi luar ke sisi dalam.  

Dudukan Wahana a.k.a Bis

Dudukan wahana (Spacecraft Bus) menyediakan berbagai sistem pendukung yang dibutuhkan oleh teleskop secara keseluruhan. Enam sistem pendukung tersebut adalah

• Subsistem tenaga listrik (electrical power subsystem): berfungsi mengubah energi cahaya/panas yang diterima panel surya menjadi tenaga listrik yang akan menjadi sumber energi sistem lainnya, termasuk instrumen sains.  
• Subsistem pengaturan orientasi (attitude control subsystem): mengatur posisi/orientasi wahana dalam orbit yang stabil dan mengarahkan teleskop ke wilayah langit yang ingin diamati. 
• Subsistem komunikasi (communication subsystem): berfungsi untuk menerima perintah dari pusat kendali di Bumi (Operations Control Center/OCC) dan mengirimkan hasil pengamatan saintifik beserta informasi status wahana ke OCC. 
• Subsistem perintah dan penanganan data (command and data handling system – C&DH system): merupakan ‘otak’ dari keseluruhan sistem observatorium. Sistem ini dilengkapi dengan komputer, command telemetry processor (CTP, prosesor telemetri perintah, yang akan menerima perintah dari sistem komunikasi dan meneruskannya ke bagian terkait), dan solid state recorder (SSR, penyimpan data observatory). CTP juga berfungsi untuk mengendalikan interaksi antara instrumen sains, CTP dan sistem komunikasi. 
• Subsistem pendorong (propulsion system): terdiri dari tangki bahan bakar dan roket yang dinyalakan sewaktu-waktu untuk mempertahankan orbit dan posisi sesuai perintah dari subsistem pengaturan orientasi. 
• Subsistem pengendalian temperatur (thermal control subsystem): mengatur temperatur operasional dari keseluruhan sistem bis/dudukan. 

Misi Saintifik JWST

Secara umum, misi JWST adalah mempelajari sejarah alam semesta dan asal-usul kehidupan di Bumi. Untuk itu, JWST akan mengeksplorasi tiap tahapan dalam sejarah kosmis: mulai terjadinya pendaran pertama setelah dentuman besar hingga evolusi Tata Surya dan kehidupan di Bumi. 

1. Alam Semesta Muda

Dengan fokus pada spektrum inframerah, JWST diharapkan mampu “melihat” terbentuknya bintang dan galaksi pertama dalam kegelapan alam semesta setelah dentuman besar 13,6 milyar tahun yang lalu. Untuk lebih jelasnya, lihat bagian “Cara Kerja JWST.”

2. Galaksi Dari Masa ke Masa

Keberadaan galaksi menunjukkan bagaimana materi di alam semesta terorganisir dalam skala besar. Dengan membandingkan bagaimana materi terorganisasi pada galaksi purba dengan galaksi yang ada saat ini, para ilmuwan berharap untuk mempelajari bagaimana pengorganisasian materi tersebut berevolusi seiring dengan berjalannya waktu. 

3. Siklus Hidup Bintang

Pembentukan bintang terjadi di dalam awan gas dan materi di alam semesta. Untuk dapat melihat proses awal evolusi bintang (pembentukan hingga menjadi bintang muda), para ilmuwan harus mampu melihat menembus awan gas dan materi tersebut. Hal ini cukup sulit dilakukan dengan menggunakan spektrum cahaya tampak, karena awan gas dan material akan menyerap cahaya tampak sehingga hanya sedikit, kalaupun ada, yang bisa sampai ke pengamat di Bumi. Dengan memfokuskan diri pada spektrum inframerah (panas), JWST mampu mendeteksi keberadaan sumber panas, meskipun sumber tersebut diselimuti awan tebal. Sebagai analogi, sinar inframerah digunakan untuk mencari korban kebakaran rumah yang tersembunyi di antara asap.

4. Dunia Lain (Other Worlds)

Salah satu misi JWST adalah mempelajari atmosfer eksoplanet untuk mencari tanda-tanda adanya material yang menunjang kehidupan. Untuk itu, JWST akan melakukan pengamatan eksoplanet dengan menggunakan metode transit (mengamati fenomena meredupnya cahaya bintang ketika planet melintas di depannya). Setelah massa planet tersebut ditentukan dengan bantuan teleskop permukaan, JWST akan melakukan pengamatan komposisi atmosfer planet dengan menggunakan spektrometer. Cahaya bintang yang melewati atmosfer eksoplanet akan mengalami penyerapan sesuai dengan komposisi atmosfer tersebut. Akibatnya, cahaya yang diterima spektrometer akan menunjukkan garis-garis gelap pada spektrum radiasi elektromagnetik akibat terserapnya cahaya, membentuk semacam “sidik jari”. Sebagaimana sidik jari pada manusia, “sidik jari” spektrum ini sangat spesifik untuk setiap unsur yang dikenal manusia, dan dengan cara inilah para ilmuwan dapat mengidentifikasi komposisi atmosfer eksoplanet. 

Dilengkapi dengan coronagraph, JWST diharapkan mampu mengambil citra eksoplanet. Meski citra ini nantinya hanya berupa titik, namun para ilmuwan berharap dapat menentukan warna, iklim, musim, rotasi, vegetasi dan lain sebagainya. Semua ini akan dilakukan dengan spektroskopi. 

Selain eksoplanet, JWST juga akan melakukan beberapa pengamatan di dalam sistem Tata Surya: Mars, planet-planet raksasa, planet katai (Pluto, Eris), asteroid, komet dan bahkan objek Sabuk Kuiper. 

Cara Kerja Umum JWST

JWST dilengkapi dengan berbagai instrumen yang sangat peka dalam mendeteksi pancaran cahaya inframerah jarak dekat dan menengah. Mengapa para ilmuwan memfokuskan diri pada spektrum inframerah?

Alam semesta terbentuk ketika terjadi dentuman besar sekitar 13,6 milyar tahun yang lalu. Cahaya yang dipancarkan oleh bintang-bintang dan galaksi pertama dapat menjadi ‘kapsul waktu’ bagi kita di Bumi untuk mempelajarinya. Cahaya tersebut dipancarkan 13,6 milyar tahun yang lalu, jadi ketika kita menerimanya, kita melihat kondisi alam semesta di masa lalu!! Sebagai contoh, cahaya Matahari membutuhkan sekitar delapan menit untuk mencapai Bumi. Seandainya Matahari menghilang secara tiba-tiba, kita masih akan terus menerima cahaya selama delapan menit, sebelum kita mengetahui bahwa Matahari telah hilang!!!

Cahaya yang dipancarkan oleh objek ruang angkasa purba ini bergerak menuju Bumi seiring dengan pemuaian alam semesta. Akibatnya gelombang cahaya tampak yang dapat dilihat oleh mata kita juga ikut meregang, menjadi gelombang yang lebih panjang, yaitu inframerah. Fenomena ini dikenal dengan sebutan “redshift” atau “pergeseran merah.”

Sebagai ilustrasi, apabila kita menggambar bentuk gelombang pada karet elastis lalu merenggangkannya, kita melihat bahwa jarak antara bukit dan lembah gelombang akan semakin jauh. Seperti itulah yang terjadi pada fenomena pergeseran merah. Semakin jauh jarak suatu objek, semakin besar pergeseran merah yang dialami cahayanya. Karena itu, untuk dapat melihat bintang dan galaksi pertama di alam semesta, para ilmuwan membutuhkan teleskop yang sangat peka untuk mendeteksi cahaya inframerah jarak dekat dan menengah.

Inilah alasan utama para ilmuwan untuk berfokus pada cahaya inframerah untuk JWST!

Cahaya inframerah tidak dapat dilihat oleh mata manusia, namun dapat dirasakan sebagai panas. Masalahnya, karena jarak yang sangat jauh dan waktu tempuh yang sangat panjang, pancaran inframerah purba menjadi sangat lemah. Untuk mampu mendeteksinya, teleskop harus beroperasi pada temperatur yang sangat rendah, sehingga panas selemah apapun mampu dideteksi. Karena itulah JWST dilengkapi dengan dengan sistem pendingin dan perisai Matahari, sebagaimana telah dijelaskan secara lebih detail di bagian sebelumnya. 

Selain menjadi “kapsul waktu” bagi ilmuwan di Bumi, cahaya inframerah memiliki satu kelebihan lagi. Cahaya tersebut mampu menembus debu dan awan material yang bertebaran di alam semesta, utamanya di wilayah-wilayah pembentukan bintang. Dengan mengamati inframerah, para ilmuwan dapat melihat apa yang ada di balik awan/debu tersebut!

Lantas, apa kelebihan JWST dibandingkan Hubble? JWST berfokus pada cahaya inframerah, sementara fokus utama Hubble adalah cahaya tampak dan ultraviolet. Hubble mampu mendeteksi sinar inframerah, namun hanya sebagian kecil saja dari spektrum inframerah. Sebagaimana telah dijelaskan di atas, sinar inframerah memiliki banyak kelebihan dibandingkan cahaya tampak yang dapat dengan mudah dihadang/diserap oleh debu dan awan gas/material. Selain itu, JWST memiliki kelebihan lain, yaitu dari sisi ukuran cerminnya. 

Kemampuan sebuah teleskop untuk mendeteksi cahaya inframerah yang redup sangat dipengaruhi oleh ukuran cerminnya (luas permukaan total cermin). Dengan diameter total 6,5 meter, JWST memiliki luas permukaan total cermin yang jauh lebih besar daripada Hubble (diameter total 2,4 meter). Hubble mampu mendapatkan citra objek jarak jauh dengan mengarahkan sensornya ke langit yang terlihat kosong selama 16 hari. JWST diharapkan mampu melakukan pengamatan serupa dalam waktu tujuh jam saja. 

Peluncuran, Orbit dan Tahapan Operasional

JWST akan diluncurkan pada tanggal 18 Desember 2021 dari Kourou, French Guiana, dengan menggunakan roket Ariana 5. Karena ukuran teleskop yang sangat besar, JWST dirancang untuk dapat dilipat sehingga muat di dalam roket yang ukurannya jauh lebih kecil. Sebagai contoh, dua sisi cermin utama akan dilipat ke dalam untuk peluncuran, dan perisai matahari yang berukuran sebesar lapangan tenis dilipat 12 kali seperti origami. Selain kedua contoh tersebut, masih ada beberapa sistem JWST lain yang juga dilipat untuk peluncuran. 

Setelah peluncuran, JWST akan menuju posisi orbitnya. Berbeda dengan Hubble yang mengorbit Bumi, JWST akan mengorbit Matahari pada jarak 1,5 juta kilometer dari Bumi, pada titik yang disebut L2 (titik Lagrange kedua). Dengan berada di titik L2, JWST dapat mengorbit Matahari seiring dengan Bumi (dengan posisi Matahari – Bumi – JWST). Dengan demikian perisai Matahari dapat melindungi JWST dari radiasi panas Matahari dan Bumi.

JWST akan membutuhkan waktu kurang lebih satu bulan sejak peluncuran untuk mencapai orbitnya dan membuka sistem-sistem yang dilipat selama proses peluncuran. Setelah itu, masih diperlukan lima bulan untuk mendinginkan sistem teleskop dan memposisikan/mengarahkan cerminnya dengan benar. 

Dalam waktu enam bulan setelah peluncuran, seluruh sistem akan siap beroperasi untuk melaksanakan misi saintifiknya. 

Mari kita tunggu kabar selanjutnya dari JWST, hanya di LS!