Kami mempertajam penglihatan teleskop James Webb dari jarak jutaan mil. Begini caranya.
Setelah makan malam Natal tahun 2021, keluarga kami terpaku pada televisi dan menonton peluncuran yang menggigit kuku dari NASAadalah $10 miliar Teleskop Luar Angkasa James Webb. Sejak saat itu, belum ada lompatan maju dalam teknologi teleskop Hubble diluncurkan pada tahun 1990.
Dalam perjalanan menuju penerapannya, Webb harus berhasil menavigasi 344 titik potensi kegagalan. Syukurlah, peluncurannya berhasil lebih baik dari yang diharapkandan kami akhirnya bisa bernapas lagi.
Kami akan menggunakan mode resolusi tertinggi Webb, yang disebut aperture masking interferometer atau singkatnya AMI. Ini adalah sepotong kecil logam yang dikerjakan secara presisi dan dimasukkan ke dalamnya salah satu kamera teleskopmeningkatkan resolusinya.
Hasil pengujian dan peningkatan AMI yang kami lakukan dengan susah payah kini dirilis di arsip akses terbuka arXiv berpasangan kertas. Kami akhirnya dapat menyajikan pengamatan pertama yang berhasil terhadap bintang, planet, bulan, dan bahkan jet lubang hitam.
Bekerja dengan instrumen yang jaraknya jutaan mil
Hubble memulai hidupnya dengan tidak fokus – cerminnya telah digerinda dengan tepat, namun salah. Dengan melihat bintang-bintang yang diketahui dan membandingkan gambar ideal dan terukur (persis seperti yang dilakukan ahli optometri), kita dapat menemukan “resep” untuk kesalahan optik ini dan merancang lensa untuk mengimbanginya.
Diperlukan koreksi tujuh astronot akan terbang di Space Shuttle Endeavour pada tahun 1993 untuk memasang optik baru. Hubble mengorbit Bumi hanya beberapa ratus mil di atas permukaan, dan dapat dijangkau oleh astronot.
Sebaliknya, Webb berjarak sekitar 1 juta mil (1,5 juta km) jauhnya — kami tidak dapat mengunjungi dan memperbaikinya, dan harus dapat memperbaiki masalah tanpa mengubah perangkat keras apa pun.
Di sinilah AMI berperan. Ini adalah satu-satunya perangkat keras Australia yang dirancang oleh astronom Peter Tuthill.
Itu dipasang di Webb untuk mendiagnosis dan mengukur keburaman pada gambarnya. Bahkan distorsi nanometer pada 18 cermin utama heksagonal Webb dan banyak permukaan internal akan cukup mengaburkan gambar sehingga menghalangi studi tentang planet atau lubang hitam, di mana sensitivitas dan resolusi adalah kuncinya.
AMI menyaring cahaya dengan pola lubang yang terstruktur dengan cermat pada pelat logam sederhana, untuk mempermudah mengetahui apakah ada ketidaksejajaran optik.
Berburu piksel buram
Kami ingin menggunakan mode ini untuk mengamati tempat lahirnya planet, serta material yang tersedot ke dalam lubang hitam. Namun sebelum semua ini, AMI menunjukkan bahwa Webb tidak bekerja sepenuhnya seperti yang diharapkan.
Pada resolusi yang sangat halus — pada tingkat piksel individual — semua gambar menjadi sedikit buram karena efek elektronik: piksel yang lebih terang bocor ke tetangganya yang lebih gelap.
Ini bukanlah kesalahan atau kekurangan, tetapi fitur mendasar kamera inframerah yang ternyata berdampak serius bagi Webb.
Ini adalah penghalang untuk melihat planet yang jauh ribuan kali lebih redup dari bintangnya beberapa piksel jauhnya: rekan-rekan saya dengan cepat menunjukkan bahwa batasannya sepuluh kali lebih buruk dari yang diharapkan.
Jadi, kami berangkat untuk memperbaikinya.
Bagaimana kami mempertajam visi Webb
Di dalam kertas baru dipimpin oleh mahasiswa PhD Universitas Sydney Louis Desdoigtskami mengamati bintang dengan AMI untuk mempelajari dan memperbaiki distorsi optik dan elektronik secara bersamaan.
Kami membangun model komputer untuk mensimulasikan fisika optik AMI, dengan fleksibilitas tentang bentuk cermin dan bukaan serta tentang warna bintang.
Kami menghubungkan hal ini ke model pembelajaran mesin untuk merepresentasikan perangkat elektronik dengan “model detektor yang efektif” — yang mana kami hanya peduli pada seberapa baik perangkat tersebut dapat mereproduksi data, bukan alasannya.
Setelah pelatihan dan validasi pada beberapa bintang pengujian, pengaturan ini memungkinkan kami menghitung dan membatalkan keburaman pada data lain, memulihkan AMI ke fungsi penuh. Itu tidak mengubah apa yang dilakukan Webb di luar angkasa, melainkan mengoreksi data selama pemrosesan.
Ini bekerja dengan baik – bintang HD 206893 menampung planet redup dan katai coklat paling merah (objek antara bintang dan planet). Mereka dikenal tetapi di luar jangkauan Webb sebelum menerapkan koreksi ini. Sekarang, kedua titik kecil tersebut muncul dengan jelas di peta sistem kami yang baru.
Koreksi ini telah membuka pintu bagi penggunaan AMI untuk mencari planet tak dikenal dengan resolusi dan sensitivitas yang sebelumnya tidak mungkin dilakukan.
Ia bekerja tidak hanya pada titik-titik
Di sebuah kertas pendamping oleh Universitas Sydney Mahasiswa PhD Max Charleskami menerapkan ini untuk melihat tidak hanya pada titik-titik — meskipun titik-titik tersebut adalah planet — tetapi juga membentuk gambar kompleks dengan resolusi tertinggi yang dibuat dengan Webb. Kami meninjau kembali target yang telah dipelajari dengan baik yang melampaui batas kemampuan teleskop, dan menguji kinerjanya.
Dengan koreksi baru ini, kami memfokuskan bulan Jupiter, Io, dan dengan jelas melacak gunung berapinya saat ia berputar dalam selang waktu satu jam.
Seperti yang terlihat oleh AMI, jet tersebut diluncurkan dari lubang hitam di pusat galaksi NGC 1068 dengan jarak yang sangat dekat. gambar dari teleskop yang jauh lebih besar.
Terakhir, AMI dapat dengan tajam memecahkan pita debu di sekitar sepasang bintang yang disebut WR 137, sepupu samar dari sistem Apep yang spektakulersejalan dengan teori.
Kode yang dibuat untuk AMI adalah demo untuk kamera yang jauh lebih kompleks di Webb dan tindak lanjutnya, Teleskop luar angkasa Romawi. Alat-alat ini memerlukan kalibrasi optik yang sangat baik, hanya sepersekian nanometer — melebihi kapasitas bahan yang diketahui.
Pekerjaan kami menunjukkan bahwa jika kita dapat mengukur, mengendalikan, dan mengoreksi bahan-bahan yang harus kita gunakan, kita masih dapat berharap untuk menemukan planet mirip Bumi di wilayah terjauh galaksi kita.
Artikel yang telah diedit ini diterbitkan ulang dari Percakapan di bawah lisensi Creative Commons. Baca artikel asli.
