John Mather dari NASA terus mendefinisikan kembali pemahaman kita tentang alam semesta

Luar angkasa tidak hanya sulit karena ilmu roket. Tugas memindahkan misi NASA dari pengembangan dan pendanaan ke konstruksi dan peluncuran – semuanya sebelum kita menggunakan objek tersebut untuk tujuan ilmiah – dapat memakan waktu beberapa dekade. Seluruh karir mereka dihabiskan untuk meluncurkan satu satelit ke luar angkasa. John Mather, fisikawan NASA pemenang Hadiah Nobel, telah membantu mengirimkan dua misil.

Dalam buku baru mereka, Di dalam Pabrik Bintang: Pembangunan Teleskop Luar Angkasa James Webb, observatorium luar angkasa terbesar dan terkuat milik NASA, Penulis Christopher Wanjek dan fotografer Chris Gunn mengajak pembaca mengikuti tur di balik layar perjalanan Teleskop Luar Angkasa James Webb dari awal hingga orbit. Pemeriksaan tekstil terhadap teknologi pencitraan radikal yang memungkinkan kita menggali lebih dalam alam semesta awal dibandingkan sebelumnya dengan profil para peneliti, konsultan, manajer, insinyur, dan teknisi yang mewujudkan hal ini melalui upaya selama tiga dekade. Dalam kutipan dari Writing minggu ini, sekilas tentang ilmuwan proyek JWST John Mather dan perjalanannya yang tidak terduga dari pedesaan New Jersey ke NASA.

Diadaptasi dari “Di dalam Pabrik Bintang: Pembangunan Teleskop Luar Angkasa James Webb, observatorium luar angkasa terbesar dan terkuat milik NASAHak Cipta © 2023 oleh Chris Gunn dan Christopher Wanjek. Digunakan dengan izin penerbit, MIT Press.

John Mather, ilmuwan proyek

– Kontrol tangan yang stabil

John Mather adalah pria yang sabar. Butuh waktu tiga puluh tahun baginya untuk menerima Hadiah Nobel Fisika tahun 2006. Hadiah tersebut, sebagai bukti pasti Big Bang, didasarkan pada mesin seukuran bus yang disebut COBE, misi NASA lainnya yang hampir tidak pernah terjadi. Desain drama? Saya ada di sana. Apakah Anda menghadapi penundaan yang tidak terduga? Saya melakukan itu. Pemilihan Mather oleh NASA sebagai ilmuwan proyek JWST adalah murni wawasan.

Seperti Webb, COBE – Cosmic Background Explorer – dimaksudkan sebagai mesin waktu untuk mengungkap gambaran awal alam semesta. Era targetnya hanya 370.000 tahun setelah Big Bang, ketika alam semesta masih berupa kabut partikel elementer tanpa struktur yang jelas. Ini disebut Zaman Rekombinasi, ketika alam semesta yang panas mendingin hingga titik yang memungkinkan proton berikatan dengan elektron untuk membentuk atom pertama, sebagian besar hidrogen dengan taburan helium dan litium. Saat atom terbentuk, kabut menghilang dan alam semesta menjadi cerah. Cahaya menembus. Cahaya kuno yang berasal dari Big Bang itu sendiri, ada bersama kita saat ini sebagai sisa radiasi gelombang mikro yang disebut latar belakang gelombang mikro kosmik.

Tinggi tapi tidak pernah mengesankan, menuntut tapi tidak pernah kejam, Mather adalah studi yang kontras. Dia menghabiskan masa kecilnya hanya satu mil dari Appalachian Trail di pedesaan Sussex County, New Jersey, tempat teman-temannya sibuk dengan hal-hal duniawi seperti pekerjaan pertanian. Namun Mather yang ayahnya adalah seorang spesialis peternakan dan statistika lebih tertarik pada sains dan matematika. Pada usia enam tahun, dia memahami konsep ketidakterbatasan ketika dia mengisi halaman di buku catatannya dengan angka yang sangat besar dan menyadari bahwa dia bisa bertahan selamanya. Dia mengisi dirinya dengan buku-buku dari perpustakaan keliling yang mengunjungi peternakan setiap dua minggu. Ayahnya bekerja di Stasiun Percobaan Pertanian Universitas Rutgers dan memiliki laboratorium di pertanian dengan peralatan radioisotop untuk mempelajari metabolisme dan tangki nitrogen cair dengan air mani banteng beku. Ayahnya juga merupakan salah satu pengguna komputer pertama di wilayah tersebut, sekitar tahun 1960, menyimpan catatan produksi susu untuk 10.000 ekor sapi pada kartu berlubang IBM. Ibunya, seorang guru sekolah dasar, juga cukup berpendidikan, dan memupuk minat muda John terhadap sains.

Pada akhirnya, peluang cuaca hangat sepanjang tahun membawa Mather pada tahun 1968 ke Universitas California, Berkeley, untuk studi pascasarjana di bidang fisika. Dia akan bergabung dengan kerumunan orang yang terpesona oleh radiasi latar gelombang mikro kosmik yang baru ditemukan, yang ditemukan secara kebetulan pada tahun 1965 oleh astronom radio Arno Penzias dan Robert Wilson. Pembimbing tesisnya merancang eksperimen balon untuk mengukur spektrum, atau warna, radiasi ini untuk mengetahui apakah radiasi tersebut benar-benar berasal dari Big Bang. (Ya.) Hal berikutnya yang jelas adalah memetakan cahaya ini untuk melihat, sesuai teori, apakah suhu sedikit berubah di langit. Bertahun-tahun kemudian, inilah yang ia dan tim COBE temukan: anisotropi, distribusi energi yang tidak merata. Fluktuasi suhu yang kecil ini menunjukkan fluktuasi kepadatan materi, cukup untuk menghentikan pemuaian, setidaknya secara lokal. Melalui pengaruh gravitasi, materi akan terkumpul di danau kosmik untuk membentuk bintang dan galaksi ratusan juta tahun kemudian. Intinya, Mather dan timnya telah menangkap cetak biru audio alam semesta yang baru lahir.

Namun, misi COBE, seperti misi Webb, mengalami kemunduran. Mather dan timnya mengusulkan konsep misi tersebut (untuk kedua kalinya) pada tahun 1976. NASA menerima usulan tersebut, namun pada tahun itu, mengumumkan bahwa satelit ini dan sebagian besar satelit lainnya sejak saat itu akan dikirim ke orbit oleh Pesawat Ulang-alik, yang masih berupa pesawat ulang-alik. Berlari. Dalam pengembangan. Sejarah akan mengungkap kebodohan rencana semacam itu. Mather segera mengerti. Ini menghubungkan desain COBE dengan ruang kargo pesawat ulang-alik yang belum dibangun. Insinyur harus memenuhi persyaratan massa dan volume yang tepat untuk kapal yang belum terbang. Yang lebih merepotkan lagi adalah COBE memerlukan orbit kutub, yang sulit dilakukan oleh Pesawat Luar Angkasa. Tim COBE kemudian dibebani dengan pemotongan anggaran dan kompromi dalam desain COBE sebagai akibat dari pembengkakan biaya untuk misi sains luar angkasa perintis lainnya, Satelit Astronomi Inframerah, atau IRAS. Namun kerja keras terus dilakukan untuk merancang instrumen yang cukup sensitif untuk mendeteksi perubahan suhu yang hanya beberapa derajat di atas nol mutlak, sekitar minus 270 derajat Celcius. Sejak tahun 1980 dan seterusnya, Mather sibuk menciptakan COBE sepanjang hari, setiap hari. Tim perlu mengambil jalan pintas dan membuat keputusan berisiko agar tetap sesuai anggaran. COBE dilaporkan telah diluncurkan pada misi Pesawat Ulang-alik STS-82-B pada tahun 1988 dari Pangkalan Angkatan Udara Vandenberg. Semua yang bergabung akan datang.

Kemudian Space Shuttle Challenger meledak pada tahun 1986, menewaskan ketujuh awaknya. NASA telah menangguhkan penerbangan pesawat ulang-alik tanpa batas waktu. COBE, yang sekarang terbatas pada spesifikasi pesawat ulang-alik, tidak dapat diluncurkan dengan sistem roket lainnya. COBE terlalu besar untuk roket Delta pada saat ini; Ironisnya, Mather memikirkan Delta dalam gambar pertamanya pada tahun 1974. Tim tersebut mencari kendaraan peluncur ke Eropa, tapi itu bukanlah pilihan bagi NASA. Sebaliknya, manajer proyek memimpin desain ulang untuk mengurangi berat ratusan pon, memangkas massa peluncuran menjadi 5.000 pon, bersama dengan bahan bakar, yang akan membawanya ke batas delta sebanyak beberapa pon. Oh, dan McDonnell Douglas harus membuat roket Delta dari suku cadang, setelah harus menghentikan seri tersebut demi Space Shuttle.

Tim bekerja sepanjang waktu selama dua tahun berikutnya. Tantangan desain terakhir adalah… tunggu dulu… pelindung matahari, yang sekarang harus dilipat di dalam roket dan diluncurkan begitu ke orbit, sebuah pendekatan baru. COBE mendapat lampu hijau untuk diluncurkan dari Pangkalan Angkatan Udara Vandenberg di California, lokasi yang awalnya diminta karena akan memberikan akses lebih mudah ke orbit kutub daripada meluncurkan pesawat ulang-alik dari Florida. Peluncuran dijadwalkan pada November 1989. COBE dikirimkan beberapa bulan lebih awal.

Kemudian, pada tanggal 17 Oktober, tanah di California berguncang hebat. Gempa bumi berkekuatan 6,9 skala Richter melanda Santa Cruz County, menyebabkan kerusakan luas pada bangunan. Vandenberg, 200 mil selatan, merasakan getarannya. Untungnya, COBE hanya dipasang dengan aman karena dua insinyur pengawas mengamankannya hari itu sebelum pergi ke pesta pernikahan. Mesin tersebut tidak mengalami kerusakan dan berhasil diluncurkan pada 18 November. Lebih banyak drama datang dengan angin kencang pada hari peluncuran. Kekhawatiran yang tak terhitung jumlahnya terjadi pada minggu-minggu pertama pengoperasian: cryostat menjadi dingin terlalu cepat; Sinar matahari yang terpantul dari es Antartika telah merusak sistem energi. Elektron dan proton yang terperangkap di sabuk Van Allen menonaktifkan perangkat elektronik; Dan seterusnya dan seterusnya.

Semua penundaan, semua drama, memudar menjadi kenangan bagi Mather ketika hasil uji coba COBE keluar. Mungkin diperlukan waktu empat tahun untuk mengumpulkan data. Namun hasilnya sungguh menakjubkan. Hasil pertama muncul beberapa minggu setelah peluncuran, ketika Mather menunjukkan spektrum tersebut kepada American Astronomical Society dengan tepuk tangan meriah. Big Bang aman sebagai sebuah teori. Dua tahun kemudian, pada pertemuan American Physical Society pada bulan April 1992, tim menunjukkan peta pertama mereka. Datanya sama persis dengan teori. Inilah sisa-sisa Big Bang yang mengungkap benih-benih yang akan tumbuh menjadi bintang dan galaksi. Fisikawan Stephen Hawking menggambarkannya sebagai “penemuan paling penting abad ini, atau bahkan sepanjang masa.”

Mather berbicara dengan rendah hati tentang penemuan ini dalam pidato penerimaan Hadiah Nobelnya pada tahun 2006, dan memberikan penghargaan penuh kepada tim dan rekannya yang brilian, George Smoot, yang berbagi hadiah tersebut dengannya pada tahun itu. Namun dia tidak meremehkan pentingnya pencapaian tersebut. Dia mencatat bahwa dia sangat senang dengan “pengakuan yang lebih luas bahwa pekerjaan kami sama pentingnya dengan yang telah lama diketahui oleh orang-orang di dunia astronomi profesional.”

Mather mempertahankan realisme ini hingga saat ini. Meskipun ia mengkhawatirkan penundaan, ancaman pembatalan, pembengkakan biaya, dan permusuhan yang tidak terlalu halus dalam komunitas ilmiah terhadap “teleskop yang memakan astronomi,” ia tidak membiarkan hal itu menyita dirinya atau timnya. “Tidak ada gunanya mencoba mengatur perasaan orang lain,” ujarnya. “Banyak masukan dari masyarakat adalah, ‘Jika saya punya nikel, saya akan membelanjakannya dengan cara yang berbeda.'” Tapi itu bukan nikel mereka. Alasan kami memiliki nikel adalah karena NASA menghadapi tantangan yang sangat besar. Kongres telah setuju “Kita menghadapi tantangan-tantangan besar. Dan tantangan-tantangan besar itu tidaklah gratis. Perasaan saya adalah bahwa satu-satunya alasan mengapa ada program astronomi di NASA yang dapat dinikmati atau dikeluhkan oleh siapa pun adalah karena kami melakukan proyek-proyek yang sangat sulit. Kami mendorong ke arah yang lebih baik.” tepi dari apa yang mungkin.”

Mather menambahkan bahwa Webb tidak sedikit lebih baik dari Teleskop Luar Angkasa Hubble; Ini seratus kali lebih kuat. Namun, kekhawatiran terbesarnya saat merancang misi bukanlah instrumen astronomi canggih, melainkan perisai matahari besar yang harus dibuka. Redundansi dibangun di semua alat dan mekanisme penerapan; Ada dua atau lebih cara untuk membuatnya berfungsi jika metode dasar gagal. Tapi ini bukan satu-satunya masalah tabir surya. Entah itu berhasil atau tidak.

Kini Mather bisa fokus penuh pada ilmu yang akan diperolehnya. Harapkan kejutan. Dia akan terkejut jika tidak ada kejutan. “Hampir semua hal dalam astronomi merupakan sebuah kejutan,” katanya. “Saat Anda memiliki peralatan baru, Anda akan mendapat kejutan.” Firasatnya adalah bahwa Webb mungkin mengungkap sesuatu yang aneh tentang alam semesta awal, mungkin banyaknya objek berumur pendek yang belum pernah dilihat sebelumnya yang mengungkapkan sesuatu tentang energi gelap, kekuatan misterius yang tampaknya mempercepat perluasan alam semesta, atau sebuah kekuatan yang sama misteriusnya. Materi gelap. Ia juga tidak sabar menunggu Webb mengarahkan kameranya ke Alpha Centauri, sistem bintang terdekat dengan Bumi. Bagaimana jika ada planet yang cocok untuk kehidupan? Webb seharusnya memiliki sensitivitas yang diperlukan untuk mendeteksi molekul apa, jika ada, yang ada di atmosfernya.

“Itu akan sangat bagus,” kata Mather. Petunjuk kehidupan dari sistem bintang terdekat? Ya, sangat keren.