Perjalanan jutaan mil Teleskop Luar Angkasa Webb ke L2 hampir selesai

Pada hari Senin, 24 Januari, para insinyur berencana untuk menugaskan NASA‘S Teleskop Luar Angkasa James Webb untuk menyelesaikan pembakaran korektif terakhir yang akan menempatkannya di orbit yang diinginkan hampir 1 juta mil dari Bumi pada apa yang dikenal sebagai titik Lagrange Matahari-Bumi kedua, atau disingkat “L2”.

Secara matematis, titik Lagrange adalah solusi untuk apa yang disebut “masalah tiga benda terbatas”. Dua objek besar yang relevan secara gravitasi di ruang angkasa menciptakan lima lokasi spesifik – titik Lagrangian – di mana gaya gravitasi dan gaya sentrifugal gerak benda ketiga kecil seperti keseimbangan pesawat ruang angkasa. Titik Lagrangian diberi label L1 sampai L5, didahului dengan nama dua benda gravitasi yang menghasilkannya (yang besar lebih dulu).

Titik Lagrange terkait dengan sistem Matahari-Bumi. Titik lagrange adalah posisi di ruang angkasa di mana gaya gravitasi dari sistem dua benda, seperti Matahari dan Bumi, seimbang, memungkinkan pesawat ruang angkasa untuk tetap di tempatnya dengan konsumsi bahan bakar yang berkurang. Gambar itu termasuk ikon kecil yang mewakili pesawat ruang angkasa WMAP NASA yang mengorbit L2, yang berjarak sekitar 1,5 juta kilometer dari Bumi. Kredit Gambar: Tim Sains NASA/WMAP

Sementara semua titik Lagrange adalah titik kesetimbangan gravitasi, tidak semuanya benar-benar stabil. L1, L2, dan L3 adalah lokasi “metastabil” dengan gradien gravitasi berbentuk pelana, seperti titik di tengah punggung bukit antara dua puncak yang sedikit lebih tinggi, di mana itu adalah titik rendah dan stabil di antara dua puncak, tetapi masih tinggi, tidak stabil satu Titik dibandingkan dengan lembah di kedua sisi punggung bukit. L4 dan L5 stabil karena setiap lokasi seperti cekungan atau cekungan dangkal di tengah punggung bukit atau bukit yang panjang dan tinggi.

Jadi mengapa mengirim Webb ke orbit Matahari-Bumi L2? Karena itu adalah lokasi yang ideal untuk observatorium inframerah. Di Matahari-Bumi L2, Matahari dan Bumi (dan juga Bulan) selalu berada di satu sisi ruang, memungkinkan Webb untuk menjaga optik teleskop dan instrumennya dalam bayangan konstan. Hal ini memungkinkan mereka menjadi dingin untuk sensitivitas inframerah, dan masih memiliki hampir separuh langit yang dapat diakses untuk observasi setiap saat. (Lihat video yang disematkan di bawah.) Untuk melihat setiap titik di langit dari waktu ke waktu, yang harus dilakukan hanyalah menunggu beberapa bulan untuk melakukan perjalanan lebih jauh mengelilingi matahari dan mengungkapkan lebih banyak langit yang sebelumnya “di belakang” matahari. .

Selain itu, Bumi di L2 cukup jauh sehingga panasnya, yang berada di sekitar suhu kamar, tidak akan menghangatkan Webb. Dan karena L2 adalah tempat keseimbangan gravitasi, mudah bagi Webb untuk mempertahankan orbit di sana. Perhatikan bahwa lebih sederhana, lebih mudah dan lebih efisien untuk mengorbit di sekitar L2 daripada tetap tepat di L2. Selain itu, dengan mengorbit daripada berada tepat di L2, Webb tidak akan pernah membuat Matahari dikalahkan oleh Bumi, yang diperlukan untuk stabilitas termal Webb dan untuk pembangkit listrik. Faktanya, orbit Webb di sekitar L2 lebih besar dari orbit Bulan di sekitar Bumi! L2 juga berguna untuk selalu berhubungan dengan Pusat Operasi Misi di Bumi Jaringan Luar Angkasa. Observatorium berbasis ruang angkasa lainnya termasuk WMAP, Herschel, dan Papan mengorbit Matahari-Bumi L2 untuk alasan yang sama.

Secara umum, mendapatkan pesawat ruang angkasa ke Sun-Earth L2 cukup mudah, tetapi arsitektur Webb menambahkan lipatan. Karen Richon, Insinyur Senior di Webb Flight Dynamics, menjelaskan cara membawa Webb ke L2 dan menyimpannya di sana:

“Ingatlah untuk melempar bola lurus ke udara sekeras yang Anda bisa; Itu dimulai dengan sangat cepat tetapi melambat ketika gravitasi menariknya kembali ke bumi, akhirnya berhenti di puncaknya dan kemudian kembali ke tanah. Sama seperti lengan Anda menggerakkan bola untuk naik beberapa meter di atas permukaan bumi, roket Ariane 5 memberi Webb kekuatan untuk menempuh jarak jauh 1,1 juta kilometer, tetapi tidak cukup kuat untuk melawan gravitasi planet untuk melarikan diri dari bumi. Sama seperti bola, Webb melambat dan akhirnya akan berhenti dan jatuh kembali ke bumi jika kita membiarkannya. Berbeda dengan bola, Webb tidak akan kembali ke permukaan bumi tetapi akan berada di orbit yang sangat elips, dengan ketinggian perigee 300 kilometer dan ketinggian apogee 1.300.000 kilometer. Dengan memanfaatkan daya dorong setiap tiga minggu atau lebih dari mesin roket kecil di atas kapal Webb, ia akan tetap mengorbit di sekitar L2 dan mengorbitnya dalam orbit halo setiap enam bulan sekali.

“Jadi mengapa Ariane tidak memberi Webb lebih banyak kekuatan dan mengapa Webb membutuhkan koreksi arah? Jika Ariane Webb memberikan sedikit terlalu banyak kekuatan untuk membawanya ke L2, dia akan terbang terlalu cepat di sana, melebihi orbit ilmiah yang diinginkannya. Webb harus melakukan manuver pengereman yang signifikan, menabrak matahari untuk memperlambat. Pembakaran besar itu tidak hanya akan menghabiskan banyak bahan bakar, itu tidak mungkin karena Webb harus berputar 180 derajat untuk mendorong ke arah matahari, yang akan mengekspos optik teleskop dan instrumennya langsung ke matahari, membuat struktur menjadi terlalu panas dan benar-benar meleleh. mereka lem yang menyatukan mereka. Memasang pendorong ke teleskop sebagai rute untuk mengarahkan daya dorong pengereman tidak layak karena sejumlah alasan dan tidak pernah menjadi pilihan desain.

“Jadi Webb meminta energi yang cukup dari roket Ariane untuk memastikan bahwa kita tidak perlu melakukan pembakaran retro, tetapi akan selalu membutuhkan pembakaran dari observatorium untuk secara akurat membuat perbedaan dan membawanya ke orbit yang diinginkan.” Ariane 5 membidik dengan sangat dekat ke Webb sehingga pembakaran pertama dan paling kritis kami lebih kecil dari yang kami rencanakan dan rancang, menyisakan lebih banyak bahan bakar untuk misi yang lebih lama!”

– Karen Richon, Insinyur Senior di Webb Flight Dynamics, Pusat Penerbangan Luar Angkasa Goddard NASA

Rincian rinci orbit Webb dapat ditemukan di sini.