Para astronom menyukai tantangan. Mereka menempatkan observatorium mereka di gunung tertinggi , di gurun terkering, di lapisan es terdingin, di bawah samudra terdalam, di orbit mengelilingi Bumi dan Matahari , dan di pos terpencil terjauh di Tata Surya .
Namun sekarang, mereka berencana membangun teleskop di sisi jauh Bulan.
Instrumen-instrumen ini akan menyelidiki salah satu jendela terakhir yang belum dieksplorasi di Alam Semesta.
Di sini, para astronom berharap dapat melihat sekilas Fajar Kosmik yang sulit dipahami , momen ketika Alam Semesta muncul dari kegelapan, dan bintang serta galaksi mulai terbentuk (lihat ‘Mengejar Fajar Kosmik’, di bawah).
Namun mengapa harus menghadapi tantangan teknis dan biaya yang sangat besar untuk membangun observatorium di Bulan? Alasannya adalah, dalam hal mendeteksi Fajar Kosmik, tidak ada tempat lain yang dapat melakukannya.
Garis 21 cm
Tanda terpenting dari kebangkitan Alam Semesta berasal dari atom hidrogen netral. Kadang-kadang, elektron dalam atom hidrogen berbalik arah, melepaskan foton dengan panjang gelombang khas 21 cm (8,2 inci).
Jika para astronom mengamati gelombang radio yang dipancarkan oleh awan gas kosmik dan mereka melihat lonjakan sempit pada gelombang radio yang panjangnya 21 cm (dikenal sebagai ‘garis spektral’), mereka tahu bahwa awan tersebut mengandung hidrogen netral.
Meskipun disebabkan oleh transisi yang sangat langka (dan acak), terdapat cukup hidrogen netral di Alam Semesta untuk membuat garis 21cm mudah dikenali.
Garis 21 cm sangat penting bagi para astronom. Tidak hanya melacak sebagian besar gas yang membentuk galaksi, garis ini juga dapat menembus awan debu yang menghalangi alam semesta pada panjang gelombang lainnya.
Pengamatan terhadap garis 21cm inilah yang pertama kali mengungkapkan struktur spiral galaksi kita, Bima Sakti.
Selama Zaman Kegelapan Alam Semesta, satu-satunya foton adalah foton yang dihasilkan oleh hidrogen netral. Jadi, garis 21cm adalah satu-satunya cara para astronom dapat menyelidiki fase-fase awal Alam Semesta.
Namun, ini tidak selalu berarti para astronom hanya mencari panjang gelombang 21 cm.
Alam semesta sedang mengembang dan seiring dengan itu, cahaya yang melewatinya meregang menjadi panjang gelombang yang lebih panjang – sebuah proses yang dikenal sebagai pergeseran merah (redshift).
Semakin jauh suatu objek, semakin besar pergeseran merahnya, artinya garis 21cm dari era yang berbeda dalam evolusi Alam Semesta akan bergeser ke panjang gelombang yang berbeda.
Sebagai contoh, era reionisasi dapat diamati pada panjang gelombang beberapa meter. Namun, sinyal Fajar Kosmik hanya dapat diamati pada panjang gelombang sekitar 10 meter (lebih dari 32 kaki) atau lebih.
Dan di situlah letak masalahnya. Ionosfer Bumi mulai menyerap, mendistorsi, dan memantulkan gelombang radio dari luar angkasa tepat pada panjang gelombang ini. Jadi, instrumen berbasis Bumi hanya dapat menyelidiki periode reionisasi selanjutnya.
Menemukan sinyal Fajar Kosmik membutuhkan perjalanan menembus lapisan ionosfer Bumi.
Namun, ada masalah lain. Di Bumi, atau di orbit sekitarnya, tidak ada tempat untuk menyembunyikan teleskop radio Anda dari gangguan yang disebabkan oleh konstelasi satelit raksasa dan transmisi radio FM.
Sumber-sumber gangguan ini, dan sumber-sumber gangguan lainnya, benar-benar menutupi sinyal radio yang sangat lemah dari alam semesta awal.
Salah satu solusi untuk masalah ini adalah dengan menempatkan lapisan batuan setebal hampir 3.500 km (mendekati 2.200 mil) di antara Bumi dan teleskop radio Anda.
“Sisi jauh Bulan adalah lokasi yang unik,” kata Profesor Jack Burns , seorang peneliti di Universitas Colorado di Boulder dan pendukung lama gagasan observatorium bulan. “Ini adalah satu-satunya lokasi yang benar-benar tenang dari gelombang radio.”
Proyek-proyek yang bersaing untuk meraih kesuksesan
Ada berbagai rencana untuk membangun observatorium bulan yang dapat mendeteksi Fajar Kosmik.
Di Eropa, Badan Antariksa Eropa sedang mengeksplorasi serangkaian antena tiup yang disebut DEX ( Dark Ages Explorer ), di mana satu wahana pendarat akan memasang lebih dari 1.000 elemen antena di Bulan, yang sinyalnya akan digabungkan untuk mensimulasikan teleskop radio besar.
“Ini bukan tugas yang mudah,” kata Dr. Christiaan Brinkerink , seorang insinyur di Universitas Radboud di Belanda, dan peneliti utama untuk DEX.
“Kita tidak hanya perlu membawa semua antena ke sana, tetapi juga cara untuk menempatkannya, untuk memberi daya pada antena tersebut, dan untuk melakukan pemrosesan data dan komunikasi.”
Terlepas dari kesulitan yang ada, Brinkerink tetap optimis. “Kami bertujuan untuk mengembangkan teknologi agar DEX dapat diterapkan pada pertengahan hingga akhir tahun 2030-an,” katanya.
Di AS, bahkan ada rencana yang lebih ambisius untuk susunan teleskop serupa yang disebut FarView , sebuah proyek yang dipimpin oleh Burns. Dia menggambarkan FarView sebagai “teleskop kosmologi terbaik”.
Sistem ini akan terdiri dari 100.000 antena kecil, yang tersebar di area sekitar 200 km² ( sekitar 77 mil persegi), yang dibangun di tempat oleh robot yang mengekstrak aluminium dari batuan bulan.
Tim FarView berharap dapat memasang prototipe susunan antena pertama ke Bulan sebelum akhir dekade ini, dengan instrumen lengkap yang akan dibangun pada tahun 2030-an.
Pihak Tiongkok juga memiliki rencana untuk membangun susunan antena di permukaan bulan. Desain mereka mencakup 7.200 antena berbentuk kupu-kupu yang tersebar di area seluas 30 km (18,6 mil) di permukaan bulan.
Pertama, misi tanpa awak (Chang’e 7 dan 8) akan memasang 16 antena uji menggunakan wahana pendarat robot. Namun yang terpenting, inti dari sekitar 100 antena akan dibangun oleh para astronot, sesuatu yang telah diabaikan oleh rencana AS dan Eropa.
Susunan antena terakhir akan diselesaikan setelah pangkalan bulan permanen didirikan. Meskipun demikian, laju program luar angkasa Tiongkok berarti ada kemungkinan besar observatorium ini akan menjadi yang pertama mendeteksi Fajar Kosmik.
Proyek Teleskop Radio Kawah Bulan bertujuan untuk memanfaatkan fitur alami Bulan – Kredit foto: Ronald Polidan NASA
Pendekatan yang sangat berbeda adalah Lunar Crater Radio Telescope (LCRT), sebuah proyek yang diusulkan oleh NASA Institute for Advanced Concepts (NIAC).
Sekali lagi dibangun sepenuhnya oleh robot, LCRT akan terdiri dari piringan jaring kawat berdiameter 350m (1.150ft) yang membentang di kawah tumbukan selebar 1,3km (0,8 mil) di sisi jauh Bulan.
Satu wahana antariksa akan mengirimkan jaring teleskop dan wahana pendarat akan menurunkan robot penjelajah untuk merayap menuruni sisi kawah dengan menggunakan kabel penyangga.
LCRT pertama kali diusulkan pada tahun 2020 dan telah melalui beberapa fase studi oleh para ilmuwan dan insinyur di Jet Propulsion Laboratory (JPL) NASA.
Saat ini sedang membangun prototipe skala 200:1 di California, tim tersebut juga sedang mempersiapkan studi desain selanjutnya. Dr. Gaurangi Gupta , seorang peneliti di JPL, optimis proyek ini dapat menjadi kenyataan.
“Jika kita dapat membangun konsensus dan antusiasme ilmiah, serta membuktikan kelayakan teknologi, keandalan, dan kematangan konsep tersebut, ada kemungkinan besar bahwa LCRT dapat terwujud dalam dekade berikutnya,” katanya.
Fokus hingga saat ini adalah pada observatorium di permukaan bulan. Namun, ada alternatif lain. Yaitu dengan menempatkan teleskop di orbit bulan dan mengamati langit saat instrumen tersebut menghilang di balik Bulan.
Sayangnya, instrumen yang mengorbit seperti itu tidak dapat dibangun dengan ukuran yang sangat besar. Jadi, untuk mencapai sensitivitas yang dibutuhkan, instrumen tersebut akan terdiri dari sekumpulan satelit kecil yang menggabungkan sinyal-sinyalnya.
China telah mengungkapkan rencana untuk susunan satelit semacam itu. Disebut ‘ Hongmeng ‘, proyek ini membayangkan sebuah satelit ‘induk’ yang mengendalikan susunan satelit, memproses data, dan mengirimkannya kembali ke Bumi, sementara delapan satelit ‘anak’ mengumpulkan sinyal kosmik.
Skema ini dapat mulai beroperasi paling cepat pada tahun 2026.
Inggris juga turut serta. Universitas Portsmouth dan Cambridge bekerja sama dengan RAL Space untuk merancang penerima radio gelombang panjang berukuran kecil untuk mendeteksi emisi garis 21cm yang mengalami pergeseran merah.
Satelit yang disebut CosmoCube ini akan mengorbit Bulan, dan mengirimkan datanya kembali ke Bumi.
Meskipun mungkin lebih murah, pendekatan orbital memiliki beberapa kekurangan. Posisi satelit yang selalu berubah membuat pengolahan data jauh lebih sulit.
Yang lebih penting lagi, beberapa tujuan ilmiah memerlukan susunan antena yang padat, yang tidak dapat disediakan oleh sistem yang mengorbit. Memelihara dan meningkatkan sistem seperti itu juga tidak layak dilakukan.
Observatorium berbasis permukaan utama, seperti DEX dan FarView, kemungkinan akan menelan biaya $1–5 miliar per unit. Perencanaan, perancangan, dan pengujian teknologi untuk penyebarannya merupakan tugas yang sangat besar.
Terlepas dari banyaknya ide dan studi desain yang sedang berlangsung, kemungkinan besar observatorium bulan di masa depan akan menjadi upaya kolaboratif global. Meskipun demikian, para astronom telah mengambil langkah pertama menuju Fajar Kosmik.
Mengejar Fajar Kosmik
Alam Semesta lahir dalam keadaan panas dan padat. Akhirnya, sekitar 380.000 tahun setelah Dentuman Besar , ia telah cukup mendingin sehingga proton dan elektron dapat bergabung dan membentuk atom netral yang sebagian besar terdiri dari hidrogen dan helium.
Zaman awal ini dikenal sebagai ‘Zaman Kegelapan’ kosmik karena hidrogen netral menyerap foton, membuat Alam Semesta menjadi buram.
Namun, ketika bintang dan galaksi pertama mulai terbentuk, sekitar 100 juta tahun kemudian, gas hidrogen tersebut secara bertahap terionisasi (kehilangan elektron) oleh radiasi ultraviolet.
Menandai awal ‘zaman reionisasi’, Fajar Kosmik ini adalah saat Alam Semesta pertama kali menjadi transparan terhadap cahaya.
Kapan tepatnya Fajar Kosmik terjadi masih menjadi perdebatan, tetapi proses tersebut tampaknya berakhir sekitar 1,1 miliar tahun setelah Dentuman Besar.
Alam Semesta yang Belum Terjelajahi
Pada Februari 2024, sebuah pesawat ruang angkasa bernama Odysseus , yang dikembangkan oleh Intuitive Machines yang berbasis di Houston, menjadi wahana antariksa produksi komersial pertama yang mendarat di Bulan.
Di dalamnya terdapat sebuah eksperimen NASA bernama ROLSES1 , yang melakukan pengamatan astronomi radio pertama dari permukaan bulan.
Burns dan rekan-rekannya, yang menggambarkan instrumen tersebut sebagai “pelopor untuk teleskop radio bulan”, menggunakannya untuk mengukur interferensi radio yang bocor melalui ionosfer Bumi.
ROLSES2, penerus ROLSES1, akan menyelidiki cara melindungi instrumen tersebut dari suhu ekstrem di bulan.
NASA juga sedang mengembangkan LuSEE-Night , sebuah eksperimen untuk memahami lingkungan radio Bulan dan menguji kinerja platform teknik di Bulan.
Terletak di atas wahana pendarat Blue Ghost 2, alat ini akan dikirim ke permukaan bulan, kemungkinan pada akhir tahun 2026. Misi ini berpotensi untuk pertama kalinya memperlihatkan sinyal Cosmic Dawn.
Dengan observatorium bulan ini, para astronom berharap dapat mengisi kesenjangan besar dalam pemahaman kita antara 380.000 tahun setelah Big Bang dan tahap-tahap selanjutnya dari zaman reionisasi, sekitar 1,1 miliar tahun setelah Big Bang.
Itu sekitar lima persen dari masa hidup Alam Semesta, yang masih belum sepenuhnya dieksplorasi.
Mempelajari bagaimana sinyal hidrogen netral berubah seiring waktu akan mengungkap bagaimana struktur paling awal terbentuk di alam semesta.
Para astronom akhirnya akan memiliki wawasan tentang pembentukan bintang pertama, evolusi galaksi, peran lubang hitam , materi gelap , dan energi gelap.
Membandingkan hasil dengan masa sebelumnya dan sesudahnya akan memberi tahu kita apakah kosmologi dasar kita sudah benar, atau apakah diperlukan fisika baru.
Garis 21cm yang mengalami pergeseran merah dari Zaman Kegelapan terlihat karena menyerap cahaya awal dari latar belakang gelombang mikro kosmik. Hal ini memungkinkan para astronom untuk menyelidiki periode yang lebih awal lagi di Alam Semesta, membantu mempersempit model kosmologi.
Gupta sangat yakin tentang manfaat ilmiahnya. “Pengamatan terhadap Zaman Kegelapan berpotensi merevolusi fisika dan kosmologi,” katanya.
Ada bidang astronomi lain yang akan mendapat manfaat dari teleskop bulan gelombang panjang. Misalnya, teleskop ini akan mampu mendeteksi medan elektromagnetik di sekitar planet ekstrasolar, yang mungkin memberikan wawasan penting dalam pencarian dunia yang layak huni (atau berpenghuni).
Ketertarikan pada Bulan sebagai basis untuk pengamatan astronomi bukanlah hal baru.
Usulan serius pertama kali dibahas pada tahun 1980-an, tetapi saat itu tantangan teknologinya sangat besar dan sulit diatasi.
Namun dengan kemajuan terkini dalam penerbangan luar angkasa komersial tanpa awak yang andal dan relatif murah, kemajuan dalam desain antena radio dan robotika otonom, sebuah observatorium radio permanen di Bulan kini berada dalam jangkauan kita.
Teknologi akhirnya mampu mewujudkan ambisi para astronom.
Tantangannya besar dan biayanya sangat besar. Tetapi para astronom menyukai tantangan. Sulit untuk mengatakan apa imbalan yang akan kita dapatkan, rahasia apa yang mungkin diungkapkan oleh foton-foton paling awal, tetapi kita tidak akan pernah tahu kecuali kita mencoba.
Dan untuk mencoba berarti kita harus membawa teleskop radio kita ke sisi terjauh Bulan.