Mengapa Teleskop Angkasa James Webb Berada Berhampiran Titik L2?

Kebanyakan satelit yang kita kenali mengelilingi Bumi, tetapi Teleskop Angkasa James Webb menggunakan laluan yang berbeza. Teleskop ini mengorbit Matahari berhampiran titik Lagrange kedua, atau L2, yang terletak kira-kira 1.5 juta kilometer dari Bumi pada arah yang menjauhi Matahari.

Kedudukan tersebut bukan dipilih secara kebetulan. Ia mempunyai kelebihan dari segi graviti, kawalan suhu dan komunikasi yang penting untuk pemerhatian astronomi.

Apakah titik Lagrange?

Apabila dua objek besar seperti Matahari dan Bumi bergerak dalam orbit, tarikan graviti kedua-duanya mempengaruhi pergerakan objek kecil di sekitarnya. Dalam model yang dikenali sebagai masalah tiga jasad terhad, terdapat lima kedudukan khas yang dinamakan titik Lagrange, iaitu L1, L2, L3, L4 dan L5. Pada kedudukan ini, gabungan tarikan graviti dua objek besar membolehkan objek kecil mengekalkan kedudukan relatif yang tetap terhadap kedua-duanya dalam kerangka rujukan yang berputar bersama sistem tersebut.

L1 terletak di antara Matahari dengan Bumi, manakala L2 berada di sebelah luar orbit Bumi, pada arah yang menjauhi Matahari. L4 dan L5 pula terletak berhampiran orbit Bumi, masing-masing kira-kira 60 darjah di hadapan dan di belakang Bumi jika dilihat dari Matahari. Namun, titik Lagrange bukan kawasan yang tidak mempunyai graviti, kerana tarikan graviti masih wujud dan diperlukan untuk menghasilkan pergerakan orbit.

Mengapakah L2 dapat bergerak seiring dengan Bumi?

Sebuah objek yang mengorbit Matahari pada jarak lebih jauh daripada Bumi biasanya mempunyai tempoh peredaran yang lebih panjang. Namun, keadaan di L2 berbeza. Di kawasan ini, tarikan graviti Bumi menambah tarikan graviti Matahari ke arah dalam, dan gabungan kedua-duanya membekalkan pecutan memusat yang diperlukan untuk objek bergerak mengelilingi Matahari dengan tempoh yang sama seperti Bumi.

Keadaan ini tidak bermaksud daya graviti Matahari dan Bumi saling membatalkan, kerana pada L2 kedua-dua tarikan tersebut mempunyai komponen yang menghala ke arah Matahari. Penjelasan ini menggunakan model ideal yang menganggap objek ketiga mempunyai jisim yang sangat kecil, sedangkan pergerakan kapal angkasa sebenar turut dipengaruhi oleh gangguan graviti objek lain dan daya bukan graviti.

Mengapakah Webb tidak berada tepat pada L2?

Walaupun L2 mempunyai sifat orbit yang berguna, kedudukan tersebut tidak stabil sepenuhnya. Gangguan kecil boleh menyebabkan objek bergerak semakin jauh daripada kedudukan asalnya jika tiada pembetulan dibuat. Oleh itu, Teleskop Webb tidak ditempatkan tepat pada titik L2. Sebaliknya, ia bergerak dalam orbit halo, iaitu laluan tiga dimensi yang mengelilingi kawasan berhampiran L2.

Webb mengambil masa kira-kira enam bulan untuk melengkapkan satu pusingan orbit halo, dan pada masa yang sama teleskop itu mengelilingi Matahari bersama Bumi dalam tempoh kira-kira setahun. Orbit halo ini dipilih supaya Webb tidak memasuki bayang-bayang Bumi atau Bulan, lalu bekalan tenaga suria terpelihara dan perubahan suhu yang tidak diingini berkurang. Walau bagaimanapun, orbit halo Webb tidak stabil secara semula jadi untuk tempoh yang tidak terhad, maka enjin kecil pada kapal angkasa perlu digunakan dari semasa ke semasa untuk membuat pembetulan orbit.

Mengapakah suhu rendah begitu penting?

Webb direka terutamanya untuk mengesan sinaran inframerah daripada objek angkasa. Sinaran inframerah juga dipancarkan oleh objek yang mempunyai suhu melebihi sifar mutlak, maka jika teleskop dan instrumennya terlalu panas, sinaran yang dipancarkan oleh peralatan sendiri boleh mengganggu pengesanan isyarat astronomi yang sangat lemah. Webb mempunyai pelindung haba lima lapisan yang memisahkan bahagian panas kapal angkasa daripada cermin dan instrumen saintifiknya.

Kedudukan berhampiran L2 membolehkan Matahari, Bumi dan Bulan berada pada arah umum yang sama jika dilihat dari teleskop. Dengan demikian, pelindung haba boleh menghalang sebahagian besar cahaya dan haba daripada ketiga-tiga objek tersebut, manakala orbit halo turut memastikan Webb tidak memasuki bayang-bayang Bumi atau Bulan yang boleh menyebabkan perubahan suhu yang tidak diingini. Gabungan kedudukan orbit, pelindung haba dan sistem penyejukan membolehkan instrumen Webb beroperasi dalam keadaan yang sesuai untuk pemerhatian inframerah.

Adakah L2 mempunyai kelemahan?

Kedudukan L2 memudahkan Webb mengekalkan hubungan komunikasi dengan Bumi kerana jarak dan arah relatifnya tidak berubah secara besar sepanjang tahun. Namun, L2 juga mempunyai kelemahan. Jaraknya yang sangat jauh menjadikan kerja pembaikan oleh angkasawan jauh lebih sukar berbanding teleskop yang mengorbit berhampiran Bumi.

Webb juga perlu menggunakan bahan dorong untuk mengekalkan orbit halonya, dan jumlah bahan dorong yang tersedia menjadi salah satu faktor yang mempengaruhi tempoh operasi kapal angkasa. Selain itu, pelindung haba Webb mengehadkan arah yang boleh dituju oleh teleskop pada sesuatu masa, maka Webb tidak boleh memerhatikan semua kawasan langit secara serentak. Oleh itu, L2 bukan lokasi yang sempurna untuk semua misi angkasa. Ia dipilih kerana kelebihannya sangat sesuai dengan keperluan khusus Teleskop James Webb.

Bagaimanakah jurutera memastikan Webb berada pada orbit yang betul?