James Webb Space Telescope

Itu adalah nama wahana antariksa astronomi inframerah baru yang diamanahi untuk memeriksa alam semesta muda, beberapa juta tahun pertama dari umurnya sekarang yang 13,7 milyar tahun. Saat itu alam semesta belum lama menjadi netral secara elektromagnetik, dan gravitasi baru saja bisa bekerja secara efektif mengaglomerasi materi, sehingga bintang-bintang pertama lahir, dan cikal bakal galaksi-galaksi perlahan mewujud.

JWST bukan teleskop ruang angkasa pertama. Salah satu pendahulunya yang terkenal adalah Hubble Space Telescope yang membuka pandangan umat manusia, bukan hanya para ilmuwan, pada alam semesta yang indah, luas, kompleks, menakjubkan. Sementara data rincinya menjadi tulang punggung ribuan karya ilmiah, foto-foto nebula, galaksi, planet jauh, dan lain sebagainya, menghiasi majalah untuk umum. Semenjak itu, astronomi menjadi cabang sains yang amat populer.

Jendela pengamatan utama Hubble Space Telescope mencakup panjang-gelombang cahaya tampak (optik) dengan sedikit tambahan pada inframerah dan ultraviolet. Perolehan citra yang tajam dalam gradasi warna yang halus membuka wawasan tentang proses fisis detail pada sumber cahayanya. Di antara banyak objek redup yang berhasil dideteksi ternyata merupakan galaksi-galaksi yang amat jauh dan muda.

Pemuaian alam semesta secara global menjauhkan satu galaksi dari yang lain. Ini mengakibatkan panjang-gelombang cahaya dari galaksi-galaksi jauh bergeser ke arah panjang-gelombang yang lebih panjang, menjadikan sebagian besar galaksi akan tampak lebih terang jika diamati pada panjang-gelombang panjang seperti inframerah. Selain itu, bintang-bintang amat sering terlahir dalam selimut debu yang membuatnya sulit diamati karena debu menyerap cahaya tampak. Namun debu meloloskan cahaya inframerah. Itulah alasan utama penyiapan teleskop inframerah. Dan, karena uap air di atmosfer Bumi juga tidak meloloskan cahaya inframerah, teleskop inframerah perlu dikirimkan ke luar atmosfer Bumi. Salah satu teleskop inframerah yang sukses sebelum ini adalah Herschel, yang bertugas mengamati galaksi-galaksi yang sedang memproduksi bintang dalam jumlah besar yang amat cemerlang pada rentang panjang-gelombang inframerah jauh (60-500 micron).

JWST diamanahi untuk mengamati bintang-bintang generasi awal yang dapat dideteksi pada rentang 0,6-28,6 micron. Karena alam semesta telah memuai belasan milyar tahun semenjak bintang-bintang ini lahir, jarak ke mereka telah teramat jauh, sehingga cahayanya teramat redup. Untuk dapat efektif mengumpulkan cahaya yang datang sedikit demi sedikit ini, diperlukan cermin pengumpul cahaya yang luas. Diameter Herschel yang hanya 3,5 meter membatasi deteksi hingga sumber cahaya yang relatif dekat, sedangkan JWST yang berdiameter 6,5 meter dapat mendeteksi cahaya yang jauh lebih redup, termasuk sumber-sumber cahaya yang jauh di masa lampau.

Objektif Saintifik

Karakter bintang-bintang generasi pertama sangat boleh jadi berbeda dari bintang-bintang masa kini seperti Matahari. Bintang-bintang awal terbentuk saat hidrogen, materi dasar pembentuk bintang, tersebar dengan kerapatan tinggi karena volume alam semesta masih kecil. Akibatnya, ilmuwan menduga bintang-bintang awal dapat bermassa sangat jauh lebih besar daripada bintang generasi sekarang. Kecerlangannya bisa mencapai jutaan kali kecerlangan Matahari dan bersuhu amat tinggi, sehingga dapat mengionisasi gas di sekitarnya. Karena alam semesta masih berukuran kecil, dan pembentukan bintang ini menggejala secara global, maka ionisasi juga menjadi gejala global. Walau hanya sebentar, gas hidrogen yang terionisasi ini sempat menghambat pembentukan bintang selanjutnya. Baru sekitar semilyar tahun kemudian pemuaian alam semesta yang kontinu membuatnya cukup dingin untuk gas hidrogen menetral kembali dan pembentukan bintang selanjutnya dapat dimulai. Hanya sekali dalam sejarah alam semesta proses reionisasi global terjadi akibat sebaran bintang-bintang panas maharaksasa, dan dampaknya pada evolusi alam semesta selanjutnya sangat krusial. Objektif sains utama misi JWST adalah memahami detail proses kompleks namun global ini. Pada epokh selanjutnya dalam evolusi alam semesta, kompleksitas tinggi hanya terjadi pada skala-skala kecil atau lokal saja, seperti di sekitar bintang atau di dalam individu galaksi.

Kehadiran bintang generasi pertama ini mengubah fitur alam semesta secara signfikan. Alam semesta menjadi bercahaya dengan bintang-bintang sebagai sumber-sumber cahaya titik yang mendominasi terangnya langit. Galaksi-galaksi, sebagai himpunan bintang-bintang, mulai terbentuk, dan berlanjutlah interaksi antar sesama bintang, antara bintang dan gas, yang semakin kompleks dan menghasilkan fitur alam semesta semakin kaya. Bintang-bintang generasi awal yang bermassa amat besar itu berumur pendek, hanya jutaan tahun. Mereka mengakhiri masa hidupnya sebagai bintang dengan meledak (supernova) dan menyebarkan hasil reaksi fusinya ke segala penjuru. Ruang antar bintang yang awalnya hanya berisi atom hidrogen dan sedikit helium lalu diperkaya dengan unsur-unsur kimia yang semakin beranekaragam.

Sains terobosan yang akan ditawarkan oleh JWST akan menyanggupkan kita bertanya lebih lanjut, lebih tajam, tentang, antara lain, proses detail evolusi galaksi yang merupakan building blocks struktur skala besar alam semesta; proses pembentukan lubang hitam supermasif yang nyatanya lazim ada di pusat galaksi-galaksi besar termasuk Galaksi Bima Sakti; proses pembentukan dan pengenalan karakter bintang-bintang generasi selanjutnya, seperti Matahari, sekaligus sistem keplanetan yang merupakan produk samping pembentukan bintang; fitur fisis detail berbagai eksoplanet untuk kita secara reflektif memahami sejarah planet-planet di Tata Surya, terutama Bumi; dan identitas fisis serta peran konstituen alam semesta yang hingga kini masih amat belum dipahami: materi gelap dan energi gelap.

Tantangan teknologi astronomi

Ada banyak tantangan teknologi astronomi untuk memenuhi itu objektif sains tersebut. Cermin primer berdiameter 6,5 meter yang disebutkan di atas tersusun atas 18 keping cermin yang masing-masingnya dapat diorientasikan untuk menghasilkan tingkat akurasi fokus beberapa puluh nanometer untuk menghindari deformasi termal yang bisa berdampak pada kualitas citra. Kombinasi kehalusan maneuver dan reflektivitas semua cermin dioptimalkan dengan memilih material cermin berupa berilium yang dilapisi emas. Foton-foton yang tiba pada cermin primer dipantulkan ke arah cermin sekunder yang kemudian meneruskannya ke berbagai instrumen berupa kamera detektor dan beberapa spektrograf. Detektor nantinya menginformasikan intensitas cahaya sumber, sementara spektrograf mengurai cahaya untuk mengenali detail fisis sumber cahaya seperti kandungan dan kelimpahan kimia, serta perilaku gerak sumber cahaya. Agar dapat bekerja efektif detektor inframerah perlu didinginkan hingga -266 C. Ini dapat dicapai dengan memastikan JWST selalu terlindung dari sinar Matahari dan sumber panas lain dengan memasang tameng layar tipis seluas lapangan tenis.

Tantangan teknologi ruang angkasa

JWST akan diposisikan di titik Lagrange ke-2 (L2) dalam sistem gravitasional Bumi-Matahari yang akan membuat posisinya stabil dengan energi minimal. Perkaranya titik itu berjarak sekitar 1,5 juta km dari Bumi, sekitar 4 kali jarak Bumi-Bulan. Restriksi mayor menjadi jelas: jarak yang begitu jauh tidak akan memungkinkan perbaikan wahana oleh astronot seperti yang telah sukses dilakukan pada Hubble Space Telescope. Semua pergerakan maneuver wahana maupun detail internal lainnya yang melibatkan pengoperasian ratusan elemen mekanik harus terlaksana dengan sempurna. Tidak ada kesalahan yang terlalu kecil. Ini yang membuat JWST wahana antariksa paling canggih dan rumit. Herschel juga diletakkan pada L2, tetapi dimensi dan design-nya yang kompak membuat packaging dan unpackaging muatan lebih sederhana. Ini memberikan pelajaran penting dalam menyiapkan JWST.

JWST dengan bobot 7 ton akan diantar oleh Roket Ariane 5 milik European Space Agency ke jarak sekitar 1 juta km dari Bumi dalam keadaan rapi terlipat seperti origami di dalam ruang sempit di bagian atas roket. Kapsul JWST akan terlepas dari Roket Ariane 5 delapan menit setelah diluncurkan dari Kourou, pusat peluncuran roket di Guiana Perancis. Pada menit ke-31, sayap-sayap sel surya dikembangkan untuk mengisi tenaga ke batere yang akan menghidupkan berbagai peralatan, termasuk peralatan komunikasi ke Bumi. Setelah 12 jam, roket pendorong kecil menyala dan JWST dapat meneruskan perjalanan hingga tiba di lokasi targetnya. Pekerjaan-pekerjaan berikutnya semakin rumit dan beresiko fatal pada seluruh misi. Menjelang hari ketiga layar-layar pelindung dibuka. Pada hari keenam, cermin kedua yang amat krusial perannya dalam sistem teleskop akan mulai bergerak untuk siap pada posisinya pada hari ke-10. Susunan cermin primer akan mulai digerakkan pada hari ketujuh dan akan sepenuhnya mekar dua pekan sejak keberangkatan.  Ini semua dilaksanakan sambil JWST terus bergerak menuju titik L2 yang akan dicapai sekitar sebulan setelah peluncuran. Dalam bulan-bulan berikutnya akan dilaksanakan alignment sistem cermin, kalibrasi instrument-instrumen, dan berbagai pengujian. Jika semua berjalan baik, barulah menjelang akhir Juni 2022 JWST akan siap beroperasi menjalankan amanahnya. JWST akan senantiasa berada pada sisi malam Bumi dengan orientasinya memunggungi Bumi, yang akan membuatnya sebuah teknologi terintegrasi yang belum ada tandingannya dalam menjadi kepanjangan indera manusia untuk mengeksplorasi semesta.

Pelajaran dari mengejawantahkan mimpi besar menjadi proyek raksasa dan rumit

Jelas untuk proyek saintifik ambisius ini, yang mendorong teknologi state of the art untuk memenuhinya, sungguh esensial kemampuan memprediksi, merancang, membuat, mengelola berbagai jenis dan tingkat kerjasama. NASA bekerjasama utamanya dengan European Space Agency dan Canadian Space Agency. Proyek ini berisi banyak bagian, mulai dari penjernihan objektif saintifik, studi area dan jenis-jenis objek yang akan diamati, pendetailan rancangan teleskop dan instrumen pelengkap seperti detektor dan spektrograf, infrastruktur seperti layar pelindung, sel surya dan batere, pipeline data ke Bumi, dan lain-lain. Masing-masing instrumen disiapkan oleh institusi dan manufaktur terpisah, yang semuanya adalah yang terdepan dalam teknologi relevan. Yang disebutkan di atas adalah baru produk keperluan saintifik saja. Pekerjaan besar lain adalah merancang agar ini semua dapat diterbangkan ke tujuan dan beroperasi tanpa kehadiran manusia sama sekali. Rencananya JWST akan diluncurkan menjelang akhir Desember 2021, yang artinya sekitar 32 tahun setelah proyek JWST ditetapkan untuk dilaksanakan. Diakui penyebab utama tertundanya perampungan JWST ini adalah kekurangsiapan manajemen, kurang rapinya koordinasi antar divisi, estimasi terlalu rendah atas tingkat kesulitan design dan realisasi design, yang berakibat pada estimasi terlalu rendah pada anggaran kerja dan belanja. Ini menjadi contoh pengalaman bekerjasama untuk dipelajari oleh proyek-proyek besar berikutnya. Astronomi adalah cabang sains yang amat mengandalkan kerjasama internasional, selain karena karakter universal objek dan cakupan studinya, juga karena semakin beratnya tantangan teknologi dan finansial untuk menjalankan proyek observasi yang bermakna.

Selain untuk memajukan sains tentang fisika alam semesta, apalagi yang dapat dimanfaatkan dari proyek senilai 10 milyar USD ini? Hampir semua misi astronomi berteknologi tinggi menghasilkan spin-off yang pemanfaatannya segera pada berbagai kebutuhan keseharian manusia. Antara lain, teknologi kesehatan, keamanan, transportasi, komunikasi, dan tentu saja pengembangan material. JWST belum diluncurkan, tetapi teknologi optiknya telah dapat dimanfaatkan dalam kedokteran mata. Pengembangan material untuk JWST telah menghasilkan konstruksi yang super stabil, tidak bergerak bahkan dalam rentang sepersepuluhribu lebar sehelai rambut. Dalam waktu dekat permintaan akurasi dalam kehidupan modern yang semakin tinggi, seperti untuk penentuan waktu dan posisi, akan memanfaatkan material semacam ini. Indah, ketika pemikiran dan teknologi yang mengizinkan kita memahami sejarah Semesta, secara holistik menghaluskan akalbudi dan menawarkan solusi atas masalah kita di Bumi.

This entry was posted in Uncategorized. Bookmark the permalink.

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out /  Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out /  Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out /  Change )

Connecting to %s