Setahun setelah peluncurannya, para astronom mengungkap rahasia alam semesta, sebagai hasil ilmiah pertama dari pengamatan yang dilakukan oleh James Webb Space Telescope (JWST) dirilis. Bulan ini, Dunia Fisika adalah menerbitkan serangkaian posting blog pada penemuan. Ini adalah posting keempat dalam seri – Anda dapat membaca yang sebelumnya sini.
Sudah setahun sejak James Webb Space Telescope (JWST) diluncurkan, dan setelah penerapannya yang berbahaya dan kolimasi yang hati-hati, akhirnya mengirimkan kembali gambar dan data yang luar biasa. Namun, beralih dari launchpad ke operasi penuh bukanlah tugas yang mudah. Inilah pengingat tentang bagaimana semua itu terjadi.
Hari Natal 2021: Setelah hampir 25 tahun pengembangan, JWST terbang ke luar angkasa di atas roket Ariane 5. Peluncurannya adalah kemenangan atas kesengsaraan teknologi, pembengkakan anggaran dan jadwal, dan bahkan pembatalan (sementara) oleh Kongres AS. Akibatnya, emosi menjadi tinggi saat hitungan mundur launchpad mendekati nol.
“Itu menegangkan,” akunya Susan Mulally, ilmuwan proyek wakil JWST di Space Telescope Science Institute (STScI) di Baltimore. "Saya tidak percaya itu nyata," tambah Naomi Rowe-Gurney, postdoc JWST GTO (Guaranteed Time Observations) di Goddard Space Flight Center NASA di mana dia mendukung Tim Sistem Planet. “Saya mengharapkan penundaan lain. Saya pikir itu tidak akan pernah diluncurkan.
Perjalanan yang berbahaya
Sifat berhenti-mulai dari pengembangan proyek muncul sebagian karena meningkatnya kompleksitas teleskop, yang menampilkan cermin primer tersegmentasi 6.5 meter serta pelindung matahari yang rapuh, lima lapis, seukuran lapangan tenis. Kedua elemen harus terbuka seperti origami setelah dikerutkan agar muat di dalam roket – proses 30 hari yang bertepatan dengan perjalanan teleskop ke titik L2 Lagrange di sisi lain Matahari, 1.6 juta kilometer dari Bumi.
Titik ini terlalu jauh untuk layanan yang dibantu astronot yang diterima Teleskop Luar Angkasa Hubble karena kesalahan optiknya pada tahun 1993. Jika ada yang salah dengan cermin JWST selama penyebarannya, para astronom akan memiliki $ 10 miliar putih gajah mengambang di luar angkasa.
"30 hari pertama itu cukup menegangkan, karena masalah apa pun adalah kegagalan satu titik dan berarti kita tidak akan memiliki teleskop," kata Rowe-Gurney.
Secara keseluruhan, ada 344 kemungkinan titik kegagalan: 344 titik di mana bagian teleskop yang bergerak rumit harus bekerja dengan sempurna di ruang hampa udara yang dingin. Namun pekerjaan yang mereka lakukan - "secara fenomenal" menurut Jane Rigby dari Goddard NASA, yang berbicara di Hasil Sains Pertama dari JWST konferensi yang diadakan di STScI awal bulan ini.
“Hari ketika saya tahu ini benar-benar akan berhasil adalah ketika ledakan utama itu berayun, dan cermin kedua terlipat, dan kami benar-benar memiliki teleskop,” kata Rowe-Gurney. “Bahkan jika penerapan selanjutnya tidak berhasil, kami dapat menangkap cahaya dan memasukkannya ke dalam instrumen.”
Memfokuskan teleskop
Dengan kedua cermin dipasang, langkah selanjutnya adalah memfokuskan 18 segmen berilium heksagonal dari cermin utama. Hal itu dilakukan dalam tujuh tahap. Awalnya, setiap segmen menghasilkan gambar tidak fokus yang berbeda, jadi tahap pertama adalah mengenali gambar mana yang termasuk dalam segmen cermin mana. Langkah selanjutnya adalah menyelaraskan cermin secara kasar sehingga 18 gambar semuanya terfokus. Setelah itu, segmen-segmen tersebut disesuaikan lebih lanjut sehingga mulai fokus pada titik yang sama.
Ini diikuti oleh berbagai tingkat penyetelan halus dan memastikan bahwa fokus berada dalam bidang pandang instrumen yang berbeda, dan kemudian dengan serangkaian koreksi untuk memastikan segmen diselaraskan dalam jarak 50 nm satu sama lain. Akhirnya, setelah proses tiga bulan, teleskop sudah fokus.
Melanggar batas kecepatan
Dengan teleskop dalam kondisi baik, langkah selanjutnya adalah mengkalibrasi instrumen individualnya: the Kamera Inframerah Dekat (NIRCam), yang Spektrometer Inframerah Dekat (NIRSpec), dan MIRI, rangkaian detektor yang membentuk Instrumen Inframerah Tengah.
Objek-objek luar angkasa yang jauh tampak tetap di langit, tetapi objek-objek di tata surya bergerak dengan latar belakang bintang, nebula, dan galaksi. Oleh karena itu, untuk mencitrakan planet, bulan, komet, dan asteroid, JWST harus melacaknya dengan memutar pesawat ruang angkasa secara fisik. Sebelum peluncuran, batas kecepatan pelacakan diperkenalkan: 30 milidetik per detik, di mana satu detik busur adalah 1/3600 derajat).
Namun begitu berada di luar angkasa, tim menyadari bahwa batasan ini sedikit pesimistis. “Kami sedang menguji seberapa cepat kami dapat melacak, dan kami menyadari bahwa kami benar-benar dapat melakukannya lebih cepat,” kata Rowe-Gurney, yang terlibat dalam menugaskan instrumen untuk mengumpulkan data tentang target yang bergerak dan menyebarkan cahaya.
Peningkatan kecepatan pelacakan berguna beberapa bulan kemudian, ketika JWST mengamati dampak DART (Double Asteroid Redirection Test) pada asteroid kecil Dimorphos. Misi DART adalah Dunia Fisikailmiah terobosan tahun ini untuk tahun 2022, dan JWST mampu mencitrakan puing-puing yang dikeluarkan dari dampaknya dengan melacak tiga kali lebih cepat dari batas awal, menjaga asteroid tetap dalam bidang pandang tanpa kabur. Memang, teleskop sejak itu mencapai kecepatan pelacakan hingga 120 milidetik per detik. Namun, semakin cepat pelacakannya, semakin rendah efisiensi pelacakannya, yang mengarah ke jalan tengah kompromi. "Tahun depan kecepatan pelacakan yang aman akan mencapai 75 miliarcseconds per detik, lebih dari dua kali lipat batas kecepatan, jadi kita akan dapat mengikuti lebih banyak objek di tata surya tanpa merusak teleskop," Rowe-Gurney kata.
Menghapus cahaya yang tersebar
Saat JWST menatap objek terang – planet, bintang, bahkan quasar yang jauh – beberapa kelebihan cahaya membentuk pola difraksi. Pola ini adalah penyebab "paku" yang terlihat di sekitar bintang latar depan di banyak gambar JWST, dan meskipun cantik, hal itu dapat mengaburkan detail ilmiah. Untungnya, setiap pola difraksi unik teleskop dapat digambarkan sebagai fungsi penyebaran titik, dan dengan mencirikan bentuk fungsi penyebaran titik ini untuk JWST dan instrumennya, astronom dapat menghilangkan cahaya asing dari gambar jika diperlukan.
Contohnya adalah citra JWST dari bintang Wolf–Rayet WR 140, yang terletak 5000 tahun cahaya jauhnya. Saat pertama kali dicitrakan oleh JWST, para astronom terpana melihat 17 cincin konsentris, atau cangkang, di sekitar bintang. Cincin-cincin ini awalnya dianggap sebagai artefak pencitraan dari teleskop, tetapi setelah menghilangkan fungsi penyebaran titik, cincin-cincin itu masih ada. Investigasi lebih lanjut berdasarkan simulasi menunjukkan bahwa angin bintang dari bintang biner dapat menghasilkan cincin debu tempat mereka berbenturan dan mengembun. Selain itu, pola cincin yang disimulasikan sangat cocok dengan pola cincin di sekitar WR 140, bahkan sampai ke fitur linier yang memotong cincin karena peningkatan emisi infra merah di garis pandang kami.
Pengamatan WR 140 merupakan pertama kalinya struktur angin yang bertabrakan di sekitar bintang biner dipetakan dalam 3D. Tetapi jika para astronom tidak terlebih dahulu memodelkan pola hamburan cahaya yang bocor ke dalam teleskop sehingga mereka dapat menghilangkannya, mustahil untuk membedakan apa yang dikatakan pengamatan kepada kita.
Mainan baru para astronom
Contoh bintang Wolf–Rayet menunjukkan betapa pentingnya mengenal teleskop sambil melakukan pengamatan. “Ini adalah sesuatu yang harus banyak Anda pikirkan,” kata Mullally. “Setiap langkah Anda berharap memiliki pakar di tim Anda yang mengetahui sebanyak mungkin tentang instrumen atau tentang bagaimana jenis pengamatan tersebut dilakukan.”
Dengan demikian, salah satu motivasi di balik JWST itu Ilmu Rilis Awal (ERS) adalah untuk membantu beberapa astronom agar terbiasa dengan teleskop dan instrumennya sehingga mereka dapat mempercepat orang lain untuk siklus pengamatan selanjutnya. “Ini seperti mainan baru,” kata Rowe-Gurney. “Ada banyak pekerjaan yang dilakukan untuk memproses dan mengkalibrasi data untuk memastikannya dapat diandalkan.”
Untungnya, JWST sedang bermain bola. “Ilmuwan instrumen mungkin mengatakan bahwa mereka masih mengenal instrumen mereka dan bagaimana cara menghapus sedikit sistematika dan artefak dan hal-hal seperti itu dalam data Anda,” kata Mullally, “tetapi secara keseluruhan kesan yang saya dapatkan dari semua orang adalah bahwa teleskop tampil luar biasa.”
Risiko dampak
Sejauh ini, hanya ada satu peringatan untuk kinerja JWST: kerusakan yang disebabkan oleh dampak mikrometeoroid. Rata-rata, cermin teleskop dihantam sebulan sekali oleh sesuatu yang cukup besar untuk mempengaruhi penginderaan muka gelombang, yang merupakan kemampuan teleskop untuk mendeteksi kesalahan dalam penyelarasan optiknya yang dapat bermanifestasi sebagai gelombang cahaya yang keluar dari fase. Pengurangan penginderaan muka gelombang ini dapat membuat gambar menjadi kurang tajam.
Tabrakan seperti itu telah diantisipasi sebelum diluncurkan, dan diperkirakan tidak cukup besar untuk mengancam umur teleskop. Namun, pada Mei 2022 salah satu segmen cermin menerima dampak yang lebih besar dari biasanya. Dalam ceramahnya di First Science Results dari konferensi JWST, Rigby melaporkan bahwa dampak ini meninggalkan luka, meningkatkan total kesalahan muka gelombang teleskop sebesar 9 nm. Ini penting karena jika kesalahan muka gelombang mencapai 150 nm, teleskop tidak lagi cukup sensitif untuk memenuhi target ilmiahnya – yang berarti bahwa hanya 10 tumbukan dengan skala yang sama akan “berakhir” untuk JWST.
Agak khawatir dengan prospek ini, NASA telah mengadakan kelompok kerja mikrometeoroid untuk menyelidiki risikonya. Populasi mikrometeoroid di L2 terkenal; yang tidak jelas adalah hubungan antara energi kinetik tumbukan dan degradasi penginderaan muka gelombang. Apakah dampak sebesar itu sangat jarang terjadi dan JWST tidak beruntung di bulan Mei? Atau akankah teleskop mengalami dampak yang lebih serius pada frekuensi yang lebih besar dari yang diperkirakan?
Quasar, planet ekstrasurya, dan atmosfer dunia yang jauh: lebih lanjut tentang hasil pertama dari JWST
Sampai kelompok kerja memberikan jawaban, manajer teleskop memitigasi risiko dengan mendorong para astronom untuk mengatur waktu pengamatan mereka (jika memungkinkan – pengamatan yang sensitif terhadap waktu dikecualikan) sehingga teleskop tidak mengarah ke "hujan" mikrometeoroid.
Jika sistem ini berhasil, atau kelompok kerja memberikan jawaban yang meyakinkan tentang peluang dampak, JWST akan memiliki masa depan yang panjang. Berkat peluncurannya yang sempurna dan perjalanan ke L2 yang membutuhkan koreksi jalur minimal, ruang lingkup memiliki cukup propelan untuk melanjutkan misinya setidaknya selama 27 tahun lagi. Jika 12 bulan pertama misi merupakan indikasi, 27 tahun ini akan menghasilkan rim pandangan baru yang sensasional dan data dari instrumen yang luar biasa, dengan kemungkinan besar mengubah astrofisika, studi planet ekstrasurya, kosmologi, dan banyak lagi. Perjalanan rollercoaster dari peluncuran JWST mungkin telah berakhir, tetapi perjalanan yang sebenarnya baru saja dimulai.
