Cara Kerja Teleskop: Observatorium Optik, Radio dan Ruang Angkasa Dijelaskan

Pekerjaan dasar teleskop adalah mengumpulkan lebih banyak radiasi elektromagnetik daripada yang dapat ditangkap oleh mata manusia dan membawanya ke fokus. Diameter cermin utama, lensa atau antena teleskop — apertunya — menetapkan dua hal: berapa banyak cahaya lemah yang dapat dikumpulkan, dan betapa halus ia dapat memisahkan detail, menurut Observatorium Astronomi Radio Nasional AS (NRAO). Apertur yang lebih besar berarti objek yang lebih lemah dan lebih jauh menjadi terlihat dan struktur yang lebih halus datang ke dalam pandangan.

Teleskop optik: lensa, cermin dan masalah atmosfer

Teleskop optik klasik mengumpulkan cahaya tampak dengan lensa (refraktor) atau cermin (reflektor). Misalnya, Hubble Space Telescope menggunakan desain refleksi: cahaya menyentuh cermin utama concave berdiameter 2,4 meter, memantul ke cermin sekunder yang lebih kecil sekitar 0,3 meter, dan kembali melalui lubang di cermin utama untuk menjangkau instrumen sains, menurut Pusat Penerbangan Luar Angkasa Goddard milik NASA. Konfigurasi dua cermin ini, disebut desain Ritchey-Chrétien, dibangun untuk menjaga gambar tetap tajam di seluruh bidang pandang yang luas.

Di darat, bahkan situs terbaik pun menderita turbulensi atmosfer, yang membuat bintang berkilau dan mengaburkan detail halus, menurut European Southern Observatory (ESO), yang mengoperasikan Very Large Telescope di Chili. Solusi ESO adalah optik adaptif: sensor wavefront mengukur bagaimana cahaya bintang telah terdistorsi, dan cermin yang dapat dideformasi yang dikendalikan komputer memperbaiki distorsi secara real-time. Ketika tidak ada bintang alami yang terang di dekat target, ESO menembakkan laser yang kuat ke atmosfer atas untuk menciptakan bintang referensi buatan. ESO mengatakan bahwa koreksi ini dapat membuat gambar berbasis darat pada panjang gelombang terlihat hampir setajam gambar teleskop ruang angkasa, dengan sebagian kecil dari biaya teleskop ruang angkasa.

Mengapa beberapa teleskop harus meninggalkan Bumi

Atmosfer Bumi tidak hanya mengaburkan gambar — ia memblokir panjang gelombang sepenuhnya. Menurut situs pendidikan astronomi Las Cumbres Observatory, atmosfer menyerap atau memantulkan sebagian besar cahaya ultraviolet, sinar-X, sinar gamma dan sebagian besar radiasi inframerah, membiarkan sebagian besar cahaya tampak, beberapa inframerah, dan bagian dari spektrum radio. Itulah mengapa observatorium yang dibangun untuk mempelajari panjang gelombang yang terblokir tersebut — seperti Chandra Observatory (berfokus pada sinar-X), Fermi Space Telescope (sinar gamma), dan misi inframerah seperti Spitzer dan Herschel — harus mengorbit di atas atmosfer daripada duduk di puncak gunung.

Teleskop sinar-X juga memerlukan desain optik yang sama sekali berbeda dari yang terlihat. Menurut Pusat Sinar-X Chandra di Pusat Astrofisika Harvard-Smithsonian, foton sinar-X sangat berenergi sehingga mereka melewati lurus melalui cermin konvensional yang menargetkan mereka langsung, sama seperti peluru yang menembusi dinding. Solusi Chandra adalah membuat sudut pada cerminnya sehingga sinar-X menabrak pada sudut grazing yang dangkal dan memantul ke fokus, mirip dengan batu melompat di atas air. Chandra menggunakan empat pasang cermin berbentuk barel yang dipoles hingga halus beberapa atom dan dilapisi dengan iridium, selaras dalam waktu sekitar 1,3 mikrometer — sebagian kecil dari lebar rambut manusia, menurut Pusat Sinar-X Chandra.

Raksasa inframerah: melihat melalui debu dan kembali dalam waktu

James Webb Space Telescope (JWST) dibangun untuk mendeteksi cahaya dari merah terlihat melalui panjang gelombang inframerah tengah, mencakup kira-kira 0,6 hingga 28,8 mikron, menurut NASA. Cermin utamanya mencakai 6,6 meter di 18 segmen heksagonal berlapis emas, memberikannya area pengumpulan sekitar 5,6 kali lebih besar dari Hubble. Emas dipilih karena mencerminkan cahaya merah-ke-inframerah-tengah dengan sangat baik. NASA mengatakan bahwa kombinasi ukuran dan rentang panjang gelombang ini memungkinkan Webb mendeteksi cahaya inframerah lemah dari galaksi lebih dari 13,5 miliar tahun cahaya, dan cahaya inframerah itu dapat melewati awan debu padat yang memblokir sebagian besar cahaya terlihat yang dapat dideteksi instrumen Hubble. Webb mengorbit titik L2 Matahari-Bumi, sekitar 1,5 juta kilometer dari Bumi, di mana ia tetap jelas dari efek hangat dan rozaman cahaya dari Matahari dan Bumi.

Teleskop radio: piring yang bertindak sebagai satu mata raksasa

Teleskop radio mengumpulkan panjang gelombang cahaya terpanjang yang digunakan astronom, dari sekitar 1 milimeter hingga lebih dari 10 meter, menurut NRAO. Setiap antena memiliki piring parabola yang memfokuskan gelombang radio yang masuk ke penerima, yang memperkuat sinyal untuk analisis — suatu proses yang NRAO jelaskan berfungsi seperti teleskop optik tetapi diselaraskan dengan gelombang yang jauh lebih lemah dan jauh lebih panjang. NRAO mencatat bahwa sinyal radio yang diteliti sangat lemah — menurut perkiraannya, sinyal ponsel khas adalah kira-kira satu miliar miliar kali lebih kuat daripada gelombang radio kosmik yang teleskop ini deteksi.

Satu piring menghadapi masalah resolusi: karena resolusi sudut bergantung pada panjang gelombang dibagi dengan diameter antena, dan panjang gelombang radio begitu panjang, bahkan piring besar seperti Green Bank Telescope tidak dapat mencocokkan detail halus dari teleskop optik sendiri, NRAO mengatakan. Solusinya adalah interferometri — menghubungkan banyak piring yang tersebar di jarak jauh sehingga mereka bertindak sebagai satu teleskop yang jauh lebih besar. NRAO mengutip Very Large Array, yang 27 piringnya yang aktif (ditambah satu cadangan) di Selandia Baru dapat tersebar di seluruh konfigurasi menggunakan kira-kira 40 mil jalur rel, dan Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), yang menghubungkan 66 piring di Chili, sebagai contoh pendekatan ini, digunakan untuk memetakan galaksi, mendeteksi lubang hitam dan mempelajari struktur kosmik paling awal.

Apa yang diungkapkan oleh panjang gelombang yang berbeda

• Teleskop cahaya tampak, berbasis di darat atau luar angkasa, menangkap bintang, galaksi dan nebula yang paling dekat dengan yang akan dilihat mata manusia.
• Teleskop inframerah seperti Webb dapat melihat melalui awan debu dan dapat mencapai beberapa galaksi paling jauh dan paling tua yang diketahui, menurut NASA.
• Teleskop sinar-X seperti Chandra dibangun untuk mempelajari bintang yang meledak, cluster galaksi dan materi yang berpusar di sekitar lubang hitam.
• Larik teleskop radio seperti VLA dan ALMA memetakan gas dingin, galaksi jauh dan lingkungan lubang hitam dengan menggabungkan banyak piring menjadi satu instrumen yang efektif, menurut NRAO.