Inilah yang selanjutnya akan diamati oleh teleskop luar angkasa James Webb

Dunia berkumpul minggu lalu dalam sebuah pertunjukan persatuan internasional yang jarang terjadi dan menyaksikan dengan takjub gambar ilmiah pertama diproduksi oleh Teleskop Luar Angkasa James Webb. Pembuatan selama puluhan tahun dan hasil upaya ribuan orang dari seluruh dunia, teleskop dirancang untuk merevolusi astronomi dengan memungkinkan kita mengintip kosmos lebih dalam dari sebelumnya sebelum.

Webb memiliki cermin terbesar yang pernah diluncurkan ke luar angkasa, serta pelindung matahari terbesar, dan merupakan teleskop luar angkasa paling kuat yang pernah dibuat. Gambar pertama hanyalah gambaran dari kemampuan teknologi luar biasa ini. Jadi untuk mengetahui lebih lanjut tentang penelitian ilmiah masa depan yang dimungkinkan oleh raksasa ini, kami berbicara dengan Mark McCaughrean, Ilmuwan Interdisipliner Webb di Badan Antariksa Eropa.

McCaughrean akan menjadi salah satu peneliti pertama yang menggunakan Webb untuk karyanya di bidang ini Nebula Orion, dan dia telah terlibat dalam perencanaan teleskop selama lebih dari 20 tahun. Dia memberi tahu kita semua tentang bagaimana Webb akan mendorong batas-batas astronomi dan memungkinkan penemuan yang bahkan belum pernah kita bayangkan.

Melihat alam semesta dalam inframerah

Ketika para astronom pertama kali membayangkan Webb pada tahun 1980-an, mereka memiliki rencana khusus: Mereka menginginkan alat penelitian kosmologi untuk melihat kembali galaksi-galaksi paling awal di alam semesta.

Para ilmuwan mengetahui bahwa galaksi-galaksi awal ini ada di luar sana dan hampir dapat diakses oleh kita karena Teleskop Luar Angkasa Hubble telah mengamati beberapa galaksi yang cukup awal. Saat melihat panjang gelombang cahaya tampak, Hubble dapat mengidentifikasi ratusan galaksi yang terbentuk dalam beberapa ratus juta tahun setelah Big Bang. Namun galaksi-galaksi ini telah terbentuk, dan para peneliti ingin melihat lebih jauh lagi, untuk melihat bagaimana galaksi-galaksi tersebut benar-benar terbentuk.

Untuk melakukan hal tersebut, mereka memerlukan alat yang dapat melihat dalam panjang gelombang inframerah, melampaui cahaya tampak. Itu karena galaksi-galaksi paling awal memancarkan cahaya tampak seperti galaksi-galaksi saat ini. Namun alam semesta mengembang seiring berjalannya waktu, dan itu berarti galaksi yang kita lihat di langit menjauh dari kita. Semakin tua galaksi, semakin jauh jaraknya. Dan jarak ini menyebabkan fenomena yang disebut pergeseran merah.

Mirip dengan efek Doppler, di mana suara mengubah nada yang dirasakan seiring dengan jaraknya sumber dan pengamat berubah, panjang gelombang cahaya berubah seiring dengan menjauhnya sumbernya kita. Cahaya ini bergeser ke ujung spektrum yang lebih merah, oleh karena itu dinamakan pergeseran merah.

Oleh karena itu, galaksi-galaksi paling tua mempunyai cahaya yang mengalami pergeseran merah sedemikian rupa sehingga tidak dapat lagi diamati sebagai cahaya tampak. Sebaliknya, ia terlihat sebagai inframerah – dan ini adalah panjang gelombang di mana Webb beroperasi.

Inilah cara Webb mendeteksi dan mengidentifikasi galaksi-galaksi paling awal. Jika Webb dapat melihat galaksi yang bersinar terang dalam inframerah, namun redup atau tidak terlihat oleh teleskop berbasis cahaya tampak seperti Hubble, maka para peneliti dapat yakin bahwa mereka telah menemukan sebuah galaksi yang mengalami pergeseran merah yang sangat parah – yang berarti jaraknya sangat jauh, dan karenanya sangat jauh. tua.

Bahkan di gambar lapangan dalam pertama dari Webb, Anda dapat melihat beberapa galaksi yang sangat tua. Gugus galaksi yang menjadi fokus gambar berusia 4,6 miliar tahun, namun karena massanya, ia membelokkan ruangwaktu di sekitarnya. Artinya, cahaya yang berasal dari galaksi di belakang gugus ini juga dibelokkan, sehingga gugus tersebut bertindak seperti kaca pembesar dalam efek yang disebut pelensaan gravitasi. Beberapa galaksi yang terlihat di bidang dalam ini berusia sekitar 13 miliar tahun, yang berarti mereka terbentuk pada miliaran tahun pertama alam semesta.

Memperluas untuk berbuat lebih banyak

Jika Webb awalnya dikonsep sebagai alat kosmologi, ia segera berkembang menjadi lebih dari itu.

Selama beberapa dekade merencanakan Webb, para desainer menyadari bahwa alat yang mereka buat dapat digunakan untuk bidang yang jauh lebih beragam daripada sekadar kosmologi. Mereka menambahkan instrumen baru, seperti MIRI, yang terlihat dalam panjang gelombang inframerah-tengah daripada inframerah-dekat dan lebih berguna untuk mempelajari pembentukan bintang dan planet daripada kosmologi. Perbedaan tersebut membawa tantangan tersendiri yang dimiliki instrumen ini detektor yang berbeda dari instrumen lain dan memerlukannya pendingin sendiri. Namun, bersama dengan instrumen lainnya, ini memperluas apa yang dapat dilakukan Webb ke dalam berbagai kemungkinan.

“Fokus awal teleskop lebih pada pergeseran merah tinggi alam semesta,” McCaughrean menyimpulkan. “Itu adalah tujuan tertingginya, untuk menemukan bintang dan galaksi pertama yang terbentuk setelah Big Bang. Segala sesuatu yang lain setelah itu adalah hal yang ‘menyenangkan untuk dimiliki’. Namun seiring berjalannya proyek, kami berhasil mengubahnya menjadi empat tema: kosmologi, pembentukan bintang, ilmu planet, dan evolusi galaksi. Dan kami memastikan bahwa observatorium mampu melakukan semua itu.”

Kamera dan spektograf

Webb memiliki empat instrumen: Kamera Inframerah Dekat atau NIRCam, Spektrograf Inframerah Dekat atau NIRSpec, Near InfraRed Imager dan Slitless Spectrograph atau NIRIS, dan Instrumen Mid-Infrared atau MIRI. Ada juga sensor yang disebut Fine Guidance Sensor (FGS), yang membantu mengarahkan teleskop ke arah yang benar.

Instrumennya merupakan gabungan antara kamera dan spektrograf, yaitu instrumen untuk memecah cahaya menjadi panjang gelombang berbeda sehingga dapat melihat panjang gelombang apa yang diserap. Ini memungkinkan Anda melihat komposisi suatu objek dengan melihat cahaya yang dipancarkannya.

Meskipun gambar yang diambil dengan kamera paling banyak menarik perhatian publik, spektograf tidak boleh dianggap remeh sebagai alat ilmiah. Sekitar setengah dari waktu pengamatan yang dialokasikan saat ini digunakan untuk spektroskopi, untuk tugas-tugas seperti menganalisis komposisi atmosfer planet ekstrasurya. Hal ini sebagian disebabkan karena dibutuhkan waktu lebih lama untuk mengambil spektrum suatu objek dibandingkan mengambil gambarnya, dan sebagian lagi karena spektroskopi dapat melakukan hal-hal yang tidak dapat dilakukan oleh pencitraan.

Kamera dan spektograf juga bekerja sama, karena filter yang digunakan dalam pencitraan berguna untuk memilih objek yang akan dipelajari dengan spektograf.

“Bayangkan Anda melakukan deep field, mengambil beberapa gambar mendalam dengan NIRCam,” jelas McCaughrean. “Kemudian Anda menggunakan filter yang berbeda untuk memilih kandidat, karena akan ada terlalu banyak hal yang harus dilihat di bidang tersebut satu per satu dengan spektroskopi. Jadi, Anda memerlukan pencitraan untuk menemukan kandidatnya,” seperti dengan melihat warna dalam gambar untuk memutuskan bahwa suatu objek, katakanlah, adalah galaksi dengan pergeseran merah tinggi dan bukan bintang redup di dekatnya.

Hal ini telah dibuktikan dalam praktiknya, dengan Gambar lapangan dalam pertama Webb. Pencitraan tersebut dilakukan dengan kamera NIRCam, yang mampu menangkap sejumlah besar galaksi baik yang dekat maupun yang jauh dalam satu gambar yang menakjubkan. Kemudian sasaran tertentu, seperti a galaksi berusia lebih dari 13 miliar tahun, diambil dan diamati dengan spektograf NIRSpec, yang mengumpulkan data tentang komposisi dan suhu galaksi awal ini.

“Spektrumnya sangat indah dan bersih,” kata McCaughrean. “Belum pernah ada orang yang melihat hal seperti itu sebelumnya dari mana pun. Jadi sekarang kita tahu bahwa mesin ini bekerja dengan sangat kuat.”

Berbagai mode

Untuk memahami kemampuan penuh Webb, Anda harus mengetahui bahwa keempat instrumen tersebut tidak hanya memiliki satu mode – mereka dapat digunakan dalam berbagai cara untuk melihat target yang berbeda. Totalnya ada 17 mode antara keempat instrumen, dan masing-masing instrumen harus diuji dan diverifikasi sebelum teleskop dinyatakan siap untuk memulai operasi sains.

Misalnya, ambil instrumen NIRSpec. Ia dapat melakukan beberapa jenis spektroskopi, termasuk spektroskopi celah tetap, yang merupakan mode sangat sensitif untuk menyelidiki target individu (seperti menganalisis cahaya yang dilepaskan oleh penggabungan bintang-bintang neutron yang disebut kilonova), atau spektroskopi unit lapangan, yang mengamati spektrum untuk beberapa spektrum. piksel pada area kecil untuk mendapatkan informasi kontekstual tentang suatu target (seperti melihat galaksi yang sangat jauh yang telah dibengkokkan oleh gravitasi pelensaan).

Jenis spektroskopi ketiga yang dilakukan NIRSpec adalah sesuatu yang sangat istimewa yang disebut spektroskopi multi-objek. Ia menggunakan penutup jendela kecil yang disusun dalam format yang disebut array microshutter. “Pada dasarnya ini adalah perangkat kecil yang lebarnya beberapa sentimeter, dan kami punya empat di antaranya. Di setiap perangkat tersebut, terdapat 65.000 jendela kecil,” kata McCaughrean.

Masing-masing jendela ini dapat dikontrol secara individual untuk membuka atau menutup, sehingga peneliti dapat memilih bagian mana dari bidang yang mereka lihat. Untuk menggunakan microshutters ini, peneliti terlebih dahulu mengambil gambar menggunakan instrumen lain seperti NIRCam untuk memilih objek yang diinginkan. Kemudian mereka memerintahkan penutup jendela yang berhubungan dengan objek yang menarik tersebut untuk dibuka, sementara yang lain tetap tertutup.

Hal ini memungkinkan cahaya dari target, seperti galaksi tertentu, menyinari detektor teleskop, tanpa membiarkan cahaya dari latar belakang bocor juga. “Dengan hanya membuka pintu tempat galaksi berada dan menutup semua pintu lainnya, saat cahaya masuk objek itu, ia akan menyebar ke dalam suatu spektrum, dan tidak semua cahaya lain akan masuk,” McCaughrean dikatakan. “Itu membuatnya lebih sensitif.”

Spektroskopi multi-objek ini dapat digunakan untuk melihat galaksi tertentu dalam gambar medan dalam, yang sangat berguna untuk mempelajari galaksi-galaksi paling awal yang mengalami pergeseran merah tinggi. Dan metode ini mampu mendapatkan spektrum hingga 100 objek sekaligus – menjadikannya cara yang sangat efisien untuk mengumpulkan data.

Berurusan dengan terlalu banyak cahaya

Seperti yang ditunjukkan oleh microshutters, salah satu bagian sulit dalam bekerja dengan instrumen yang sangat sensitif adalah menangani terlalu banyak cahaya. Ambil karya James Webb akan dilakukan di Jupiter dalam beberapa bulan pertama pengoperasiannya – sebenarnya sangat sulit untuk menggambarkan cincin dan bulan di sekitar Jupiter karena planet itu sendiri sangat terang. Jika objek redup yang ingin Anda amati berada di sebelah objek yang sangat terang, hal ini dapat mengacaukan pembacaan Anda sehingga yang Anda lihat hanyalah cahaya dari objek yang lebih terang.

Masalah serupa muncul ketika mencoba mengamati exoplanet jauh yang sangat redup dibandingkan bintang yang diorbitnya. Untuk menghadapi tantangan ini, James Webb memiliki trik lain yang disebut coronagrafi.

Baik NIRCam maupun MIRI memiliki mode coronagrafi, bentuk paling sederhana adalah dengan menempatkan piringan logam kecil di depan objek terang untuk menghalangi cahayanya. Kemudian Anda dapat mengamati sumber cahaya lain yang lebih redup di sekitarnya dengan lebih mudah. Namun pendekatan ini memiliki keterbatasan: jika objek terang bergerak di belakang piringan, cahayanya dapat keluar dari tepinya dan merusak pengamatan. Anda dapat membuat disk lebih kecil sehingga hanya menghalangi titik paling terang di tengah objek, namun Anda masih memiliki banyak cahaya berlebih yang harus ditangani. Anda dapat memperbesar disk, namun kemudian akan menghalangi objek lain yang dekat dengan objek terang.

Jadi ada bentuk lain dari mode coronagrafi ini yang menggunakan perangkat keras yang disebut masker fase empat kuadran. “Ini adalah optik yang sangat cerdas,” kata McCaughrean. “Ia tidak memiliki piringan logam, namun memiliki empat potongan kaca berbeda yang memberikan fase berbeda pada cahaya yang masuk. Ketika kita berpikir tentang cahaya sebagai gelombang, bukan sebagai foton, cahaya mempunyai fase. Jika Anda menempatkan sumber terang tepat pada persilangan tempat keempat pelat fase berbeda bertemu, Anda bisa kerjakan sedemikian rupa sehingga cahayanya benar-benar hilang dari bintang, karena interferensi gelombang memengaruhi."

Artinya jika Anda menyejajarkannya dengan tepat sehingga objek terang berada tepat di tengah-tengah kuadran tersebut, cahaya dari bintang akan ditiadakan, namun cahaya dari objek lain seperti planet akan tetap ada bisa dilihat. Hal ini membuatnya ideal untuk mengamati exoplanet yang mengorbit dekat dengan bintang induknya yang mungkin mustahil untuk dilihat.

Memanfaatkan waktu

Namun cara lain untuk menangani perpaduan objek terang dan redup adalah dengan melakukan beberapa pembacaan dari waktu ke waktu. Tidak seperti ponsel Anda, yang mengambil gambar dan kemudian segera mengatur ulang, detektor di Webb dapat melakukan beberapa pembacaan tanpa mengatur ulang.

“Jadi kita bisa mengambil serangkaian gambar dari waktu ke waktu dengan detektor yang sama, karena detektor tersebut mengumpulkan cahaya dari sumber yang redup,” jelas McCaughrean. “Tetapi ketika kita melihat datanya, kita dapat menggunakan gambar pertama untuk sumber terang sebelum gambar tersebut jenuh, dan kemudian terus mengumpulkan cahaya dari sumber redup dan mendapatkan sensitivitasnya. Ini secara efektif memperluas rentang dinamis dengan membaca detektor beberapa kali.”

Mode lain yang dapat digunakan oleh instrumen ini disebut pengamatan deret waktu, yang pada dasarnya hanya melakukan banyak pembacaan satu demi satu untuk menangkap objek yang berubah seiring waktu. Ini berguna untuk menangkap objek yang berkedip, seperti bintang neutron yang berdenyut yang disebut magnetar, atau untuk melihat exoplanet yang bergerak melintasi permukaan bintang induknya dalam gerakan yang disebut transit.

“Saat sebuah planet transit di depan bintangnya, Anda ingin melihatnya di tepi transit dan juga di tengah transit,” kata McCaughrean. “Jadi Anda terus menontonnya, dan terus mengambil datanya.”

Salah satu tantangan dalam metode ini adalah metode ini mengharuskan teleskop berada pada posisi yang hampir sempurna karena jika bergerak sedikit saja, akan menimbulkan noise pada data. Namun kabar baiknya adalah kinerja teleskop ini sangat baik dalam hal menunjuk suatu objek dan tetap berada di dalamnya berkat Sensor Panduan Halus yang mengunci bintang-bintang terdekat dan menyesuaikan terhadap gangguan apa pun seperti gangguan matahari angin.

Tantangan dalam bekerja dengan Webb

Seperti halnya setiap teknologi, ada batasan mengenai apa yang dapat dilakukan Webb. Salah satu keterbatasan praktis bagi para ilmuwan yang menggunakan Webb adalah jumlah data yang dapat mereka kumpulkan dari teleskop. Berbeda dengan Hubble yang mengorbit mengelilingi bumi, Webb mengorbit matahari pada kecepatan a posisi yang disebut L2.

Jaraknya sekitar 1 juta mil dari Bumi, jadi Webb dilengkapi dengan a antena radio yang kuat yang dapat mengirim data kembali ke Bumi dengan kecepatan 28 megabit per detik. Ini cukup mengesankan — seperti yang ditunjukkan oleh McCaughrean, ini jauh lebih cepat daripada Wi-Fi di hotelnya yang kami gunakan. untuk berbicara, bahkan dalam jarak yang lebih jauh — namun hal ini tidak mendekati jumlah total data yang dapat diambil oleh instrumen per Kedua.

Observatorium memang memiliki sejumlah kecil penyimpanan solid state, sekitar 60GB, yang dapat merekam data dalam waktu singkat jika instrumen mengumpulkan lebih banyak data daripada yang dapat dikirim kembali, dan bertindak sebagai buffer. Kedengarannya mungkin tidak terlalu besar dibandingkan dengan jenis penyimpanan yang biasa Anda dapatkan di ponsel atau laptop, namun persyaratan perangkat keras yang aman terhadap radiasi dan tahan hingga puluhan tahun digunakan agak berbeda.

Keterbatasan ini berarti para peneliti harus selektif dalam menentukan data apa yang mereka prioritaskan dalam downlink dari teleskop, dan hanya memilih data yang paling penting untuk kebutuhan mereka. Anda mungkin bertanya-tanya mengapa Webb tidak diposisikan lebih dekat ke Bumi, tetapi orbit L2 sangat penting untuk cara kerjanya – dan alasannya adalah karena suhu.

“Orang-orang mengira luar angkasa itu dingin, tidak jika Anda berada di dekat benda besar yang memanaskan Anda setiap hari seperti Bumi atau matahari,” kata McCaughrean. “Jadi jika Anda ingin melihat dalam inframerah, Anda perlu memastikan teleskop Anda sangat dingin, sehingga tidak memancarkan radiasi pada panjang gelombang yang Anda coba. mendeteksi.” Itu sebabnya Webb memiliki pelindung matahari yang sangat besar untuk membantu menjaganya tetap sejuk, dan mengapa pelindung matahari berada di L2 sehingga pelindung matahari dapat menghalangi panas baik dari matahari maupun matahari. Bumi.

“Kami telah membangun sebuah observatorium yang harus berada di L2, harus berada di sana agar menjadi dingin, sehingga dapat menyampaikan ilmu pengetahuan ini. Dan karena di L2, kami hanya punya bandwidth tertentu,” jelas McCaughrean. “Tidak ada yang namanya makan siang gratis, anggap saja seperti itu.”

Komunitas memutuskan

Tahun pertama pengamatan Webb direncanakan dengan cermat. Dalam lima bulan pertama operasi sains, ini akan berhasil program sains rilis awal, yang dirancang untuk melampaui batas perangkat keras Webb dan melihat kemampuannya. Dalam tahun pertamanya, ia akan mengerjakan program-program yang telah dipilih Siklus 1, termasuk penelitian tentang exoplanet, lubang hitam, deep field, dan banyak lagi.

Namun, lebih dari itu, pekerjaan di masa depan yang harus dilakukan dengan menggunakan Webb masih terbuka lebar. Para peneliti mengajukan proposal mengenai data apa yang ingin mereka kumpulkan menggunakan Webb, dan proposal tersebut ditinjau oleh rekan sejawat untuk memilih proposal yang paling menarik secara ilmiah. “Masyarakat memutuskan apa yang akan dilakukan dengan observatorium tersebut,” kata McCaughrean.

Keterlibatan komunitas ini telah mengubah cara Webb digunakan — misalnya, penelitian planet ekstrasurya saat ini menghabiskan sekitar sepertiga waktu observasi yang tersedia pada penelitian putaran pertama. Ketika McCaughrean dan rekan-rekannya merencanakan bagaimana Webb dapat digunakan di awal tahun 2000an, mereka tidak membayangkan akan ada penelitian eksoplanet sebanyak ini yang dilakukan karena sangat sedikit eksoplanet yang ditemukan pada saat itu waktu.

Hal ini membuat Webb berbeda dari misi dengan tujuan yang sangat spesifik, seperti observatorium Gaia milik ESA dirancang khusus untuk membuat peta 3D galaksi, dan lebih mirip Hubble, yang dirancang untuk memenuhi banyak kebutuhan kebutuhan penelitian. “Ini jelas merupakan observatorium untuk keperluan umum,” kata McCaughrean. “Anda hanya perlu melihat Hubble dan bagaimana perkembangannya selama bertahun-tahun. Sebagian melalui penerapan instrumen-instrumen baru, namun sebagian besar melalui komunitas ilmiah yang memutuskan bahwa ada prioritas berbeda dan bidang berbeda yang perlu dilakukan.”

Fleksibilitas ini dimungkinkan karena Webb dirancang agar berguna untuk penelitian di banyak bidang — termasuk aplikasi yang belum terpikirkan oleh kami. Webb adalah diproyeksikan akan bertahan lama setidaknya 20 tahun, dan kami baru saja mulai mengeksplorasi apa yang bisa dilakukan dalam jangka waktu tersebut.

“Itulah hal yang menarik. Jika Anda membangun sebuah observatorium yang sangat kuat dan mampu digunakan untuk keperluan umum, hal itu dalam banyak hal hanya dibatasi oleh kreativitas masyarakat,” kata McCaughrean. “Webb adalah apa yang kami hasilkan sekarang.”

Rekomendasi Editor

• James Webb menemukan debu kuno yang mungkin berasal dari supernova paling awal
• Perbesar gambar James Webb yang menakjubkan untuk melihat galaksi yang terbentuk 13,4 miliar tahun lalu
• James Webb menemukan lubang hitam supermasif aktif terjauh yang pernah ditemukan
• James Webb menemukan petunjuk tentang struktur alam semesta berskala besar
• James Webb mendeteksi molekul penting di nebula Orion yang menakjubkan