Detektor Pada Teleskop Optik

A.   Pendahuluan

Dalam ilmu astronomi, bahasa universal adalah cahaya atau lebih umumnya gelombang elektromagnetik (EM), termasuk sinar-X, sinar ultra violet, sinar infra merah, dan gelombang radio. Semua benda langit bercerita tentang dirinya dengan pancaran gelombang EM. Ilmu pengetahuan dalam bidang Fisika dan matematika menjadi juru bahasanya untuk mengurai secara mendetail etntang hal tersebut.

Sebagai contoh mengidentifikasi objek yang sangat panas, seperti pada peristiwa tumbukan materi yang sangat kuat akibat tarikan Lubang Hitam (Black Hole), bercerita tentang dirinya dengan pancaran sinar-X. Dengan fisika dapat ditafsirkan bahwa objek itu sangat panas dan apa yang mungkin menyebabkannya. Objek-objek yang sangat dingin, seperti “embrio” bintang (protostar), bercerita banyak kepada astronom dengan pancaran sinar infra merah dan gelombang radio. Galaksi-galaksi yang sedang berlari menjauh memberikan pesan lewat spektrum cahayanya yang bergeser ke arah merah (red shift).

Maka untuk dapat mendengarkan dan memahami cerita alam semesta yang “sayup-sayup” itu digunakan teleskop. Teleskop berfungsi untuk menangkap isyarat-isyarat yang sangat redup. Agar cerita itu dapat difahami makna fisisnya, teleskop itu perlu dilengkapi detektor yang berfungsi merekam informasi dari objek alam semesta itu. Wujudnya bisa berupa skema pengamatan visual, foto, isyarat elektronik, atau data digital yang bisa diolah komputer.

Dalam proses pengolahan data tersebut diperlukan alat yang dapat membantu untuk mendapatkan data yang dibutuhkan yaitu sebauh alat detektor. Sehingga detektor di sini merupakan salah satu komponen teleskop yang sangat penting yang ada di dalamnya. Dari sekian banyak macam-macam detektor yang ada, dalam teleskop menggunakan detektor cahaya, karena obyek yang ditangkap oleh detektor ini adalah sebuah fenomena alam yang keberadaannya sangat jauh. Dengan bantuan  teleskop yang dilengkap detektor yang dapat menangkap gelombang elektromagnetik, maka hal itu dapat teramati dalam sebuah komputer.

B.   Detektor Teleskop Optik

Teleskop atau teropong adalah perangkat yang berfungsi mengumpulkan sebanyak mungkin gelombang elektromagnetik dari objek yang sangat jauh. Secara umum kita kenal ada dua jenis teleskop: optik dan radio. Teleskop optik merupakan susunan cermin dan/atau lensa untuk memfokuskan cahaya. Semakin besar diameternya, semakin banyak cahaya yang mampu dikumpulkan sehingga makin mampu mendeteksi objek-objek langit yang sangat redup. Teleskop radio merupakan antena parabola yang menangkap gelombang radio yang dipancarkan objek-objek langit. Semakin besar ukurannya, semakin tinggi resolusinya hingga mampu mendeteksi detil objek-objek dingin di alam semesta.

Alam semesta ini sangat gelap. Semakin jauh menembus kedalaman langit, semakin redup objeknya. Oleh karenanya teleskop saja belum memadai untuk mendeteksi objek-objek redup itu. Perlu detektor yang mampu memperkuat citra dan mampu meningkatkan kontras antara objek dan langit di sekitarnya. Kombinasi antara teleskop dan detektornya menentukan keandalan perangkat kerja astronom dalam mengurai kegelapan alam semesta.

Saat ini astronom berusaha mendapatkan perangkat kerja dengan teleskop yang sekecil mungkin agar praktis pengoperasiannya, namun mampu mendeteksi detil objek yang diteliti. Ini menuntut peningkatan kualitas detektor dan metode pengolahan citranya.

Astronom sebagai pengguna teknologi memanfaatkan teknologi untuk mengenali langit lebih dalam. Misalkan, sebuah teleskop kecil berkemampuan penguatan 40.000 kali (bila benar ada), itu akan meningkatkan ambang batas magnitudo sebesar 11,5, yang berarti meningkatkan ambang batas mata manusia dari 6,5 magnitudo menjadi 18 magnitudo (ukuran kecerlangan relatif dalam astronomi, makin besar harganya berarti makin redup objek yang diamati). Ini akan sangat menarik minat astronom untuk melakukan pengamatan objek langit redup, termasuk sky deep survey (mendeteksi objek-objek langit sampai yang sangat redup).

Pembahasan detektor tidak lepas dengan istilah radiasi. Radiasi merupakan suatu cara perambatan energi dari sumber energi ke lingkungannya tanpa membutuhkan medium atau bahan penghantar tertentu. Radiasi nuklir memiliki dua sifat yang khas :

v  tidak dapat dirasakan secara langsung dan

v  dapat menembus berbagai jenis bahan.

Oleh karena itu untuk menentukan ada atau tidak adanya radiasi nuklir diperlukan suatu alat, yaitu pengukur radiasi, yang digunakan utuk mengukur kuantitas, energi, atau dosis radiasi.

Panca indera manusia secara langsung tidak dapat digunakan untuk menangkap atau melihat ada tidaknya zarah radiasi nuklir, karena manusia memang tidak mempunyai sensor biologis untuk zarah radiasi nuklir. Walaupun demikian, dengan bantuan peralatan instrumentasi nuklir maka manusia dapat mendeteksi dan mengukur radiasi nuklir. Jadi manusia sepenuhnya tergantung pada peralatan instrumentasi nuklir untuk mengetahui dan memanfaatkan zarah radiasi nuklir tersebut.

Detektor merupakan suatu bahan yang peka terhadap radiasi, yang bila dikenai radiasi akan menghasilkan tanggapan mengikuti mekanisme yang telah dibahas sebelumnya. Perlu diperhatikan bahwa suatu bahan yang sensitif terhadap suatu jenis radiasi belum tentu sensitif terhadap jenis radiasi yang lain. Sebagai contoh, detektor radiasi gamma belum tentu dapat mendeteksi radiasi neutron.

Mata adalah detektor alamiah yang sampai kini pun tetap digunakan dalam pengamatan astronomi. Hasil pengamatannya bisa juga mempunyai nilai tinggi dalam penelitian astronomi. Untuk mendapatkan data yang bisa diperbandingkan secara internasional, hasil pengamatan mata yang bisa berbeda-beda tergantung kemampuan teleskop dan kepekaan mata pengamat, ada faktor koreksi berdasarkan suatu acuan yang disepakati. Selain data numerik jumlah objek yang diteliti, pengamatan dengan mata menghasilkan sketsa.

Sebagaimana dalam sketsa di atas bahwa dalam mata terdapat sebuah detektor cahaya yaitu retina. Dimana retina ini menubah bayangan cahaya menjadi impuls listrik saraf yang dikirim ke otak. Penyerapan suatu foton cahaya oleh sebuah fotoreseptor menimbulkan suatu reaksi fotokimia di fotoreseptor yang melalui suatu cara akan memicu timbulnya sinyal listrik ke otak, yang disebut suatu potensial aksi. Foton harus di atas energy minimum untuk dapat menimbulkan reaksi.

Sejak ditemukannya perangkat fotografi, hampir semua teleskop dilengkapi dengan kamera fotografi. Dengan menggantikan lensa okuler (untuk pengamatan dengan mata) dengan kamera fotografi, teleskop bisa digunakan untuk memotret objek-objek langit bila teleskop dilengkapi dengan penyambung yang cocok untuk pemasangan kamera tersebut. Beragam objek dapat direkam untuk analisis fisis atau struktur (seperti dalam pengamatan awan antarbintang) atau sekedar mengumpulkan bukti pengamatan (seperti pengamatan hilal, bulan sabit pertama).

Dalam pemakaiannya untuk mendeteksi objek redup kamera fotografi perlu waktu pencahayaan (exposure time) yang lama. Ini dimaksudkan agar semakin banyak foton cahaya yang terkumpul pada plat atau film fotografi. Namun, ada efek kejenuhan pada batas tertentu sehingga semakin lama pencahayaanya kontras pada citra objek terang makin hilang. Walaupun demikian, karena kemampuannya merekam objek langit dengan medan luas menyebabkan detektor fotografi dipertahankan dalam pengamatan astronomi. Teknik hipersensitisasi dikembangkan agar mampu mendeteksi objek yang lebih redup. Teknik pemotretan dengan panduan komputer juga digunakan untuk menghasilkan citra medan langit yang lebih luas dalam satu plat potret.

Penemuan teknologi yang memanfaatkan efek fotolistrik (efek pelepasan elektron bila terkena foton cahaya) dimanfaatkan astronom untuk mendapatkan detektor elektronik yang mampu menguatkan isyarat cahaya dari objek redup. Detektor pengganda cahaya (photomultiplier) sudah lama digunakan untuk mendeteksi objek-objek sangat redup, terutama untuk pengukuran fotometri (kuat cahaya) bintang. Detektor penguat citra elektronik (electronic image intensifier) yang bisa dipantau pada layar TV juga digunakan astronom, terutama untuk pemandu teleskop dalam pemotretan objek redup secara otomatik. Rendahnya akurasi detektor penguat citra dalam pengukuran kecerlangan objek menyebabkan detektor ini tidak banyak digunakan dalam analisis fisis citra objek langit.

C.   Karakteristik Detektor Teleskop Optik

Adapun yang digunakan adalah detektor cahaya dimana alat ini adalah sebuah alat yang menerima cahaya kemudian merubah variasi-variasi daya optik menjadi variasi arus listrik. Atau dengan kata lain, alat yang digunakan untuk mengubah besaran cahaya menjadi besaran listrik. Dimana prinsip kerja alat ini adalah mengubah energi dari foton menjadi elektron. Sebagimana gambar di bawah ini:

Dari berbagai macam photodetektor yang berbasis semikonduktor, maka yang paling baik digunakan pada optik adalah photodiode. Photodiode digunakan karena karakteristiknya yaitu ukurannya kecil, sensitifitasnya tinggi dan kecepatan respon terhadap waktu yang tinggi.

Untuk mendapatkan hasil yang lebih optimal penggunaan photodiode sebagai transducer, secara khusus untuk aplikasi sistem komunikasi optik, maka detektor cahaya harus memiliki fitur-fitur sebagai berikut ini:

1.    Peranti detektor cahaya harus sangat sensitif. Arus listrik yang dihasilkan harus sebesar mungkin dalam merespon daya optik masuk. Karena detektor cahaya ini selektif terhadap panjang gelombang (respon terbatasi oleh rentang panjang gelombang), maka sensitifitas ini harus bernilai besar pada daerha panjang gelombang operasi.

2.    Waktu respon terhadap sinyal optik masukan harus cepat. Detektor harus mampu menghasilkan arus listrik meski pulsa optik masukan berlangsung dalam waktu yang cepat. Hal ini akan memungkin untuk menerima data dengan laju bit tinggi.

3.    Untuk sistem penerimaan data analog, detektor cahaya harus memiliki hubungan masukan-keluaran yang linier. Hal ini diperlukan untuk menghindari distorsi sinyal keluaran.

4.    Derau dalam (internal noise) yang dibangkitkan oleh peranti harus sekecil mungkin agar peranti dapat mendetektsi sinyal optik masukan sekecil mungkin.

5.    Selain dipertimbangkan juga karakteristik penting lainnya, misalnya keandalan, stabilitas, kekebalan terhadap pengaruh alam.

Adapun ukuran gelombang elektronomagnetik, sebagaimana dalam gmabr berikut ini:

D.   Pemasangan CCD Pada Teleskop

Perkembangan teknologi semikonduktor melahirkan detektor astronomi yang kini dianggap yang paling membantu astronom dalam mengurai kegelapan alam semesta. Detektor itu adalah CCD, Charge-Coupled Device. Dengan kemera CCD astronom dapat mendeteksi objek sangat redup dengan ukuran teleskop yang lebih kecil. Kelebihan utama kamera CCD adalah kemampuannya merekam setiap foton (partikel cahaya) yang mengenainya dengan rentang panjang gelombang mulai dari sinar-X, sinar-UV, cahaya tampak, sampai sinar inframerah. Artinya, dengan CCD akan dapat diamati objek-objek yang sangat jauh, yang sangat redup, yang sangat panas, atau yang sangat dingin. Lagi pula dengan kamera CCD astronom bisa mengolah citranya secara lebih cepat, akurat, dan dalam format yang beragam dengan bantuan perangkat lunak komputer.

CCD, Charge-Coupled Device, bisa diterjemahkan sebagai alat perangkai muatan listrik. CCD sendiri sebenarnya terdiri dari deretan bahan semikonduktor berbentuk bujur sangkar sangat kecil yang sangat peka terhadap cahaya yang biasa disebut sebagai piksel (pixel, picture element, elemen gambar). Karena sangat halusnya ukuran piksel tersebut, sebuah CCD yang mempunyai ratusan ribu piksel berukuran hanya sebesar kuku ibu jari tangan dan permukaannya tampak sangat rata.

Cahaya yang jatuh pada piksel diubah menjadi muatan listrik kemudian dirangkai secara berurutan dan dialirkan ke perangkat komputer untuk disimpan dan diolah lebih lanjut. Secara mudahnya CCD dapat dibayangkan seperti susunan genteng di atap rumah. Bila hujan turun dan jatuh pada genteng rumah (ibarat cahaya jatuh pada CCD) aliran air hujan (ibarat muatan listrik) pada masing-masing deretan genteng itu kemudian dialirkan ke talang dan selanjutnya dialirkan melalui pipa saluran air di bawah.

Berbeda dengan air hujan yang jatuh di atas genteng itu, muatan listrik pada CCD nantinya bisa ditentukan asal pikselnya dengan perangkat lunak komputer. Dengan demikian dapat ditentukan jumlah foton yang jatuh pada masing-masing piksel itu. Maka bila disusun kembali dilayar komputer dengan menggunakan warna atau derajat kehitaman berdasarkan jumlah foton yang jatuh pada tiap piksel, gambar objek yang diamati akan tampak. Kontras citra dapat ditingkatkan dengan menentukan gradasi warna atau tingkat kehitaman yang lebih tajam. Noktah yang diketahui bukan berasal dari objek yang diamati (misalnya dari sinar kosmik) dapat dihilangkan dari gambar sehingga citra yang diperoleh akan lebih bersih.

Banyak keunggulan CCD dibandingkan detektor astronomi lainnya. Resolusinya sangat tinggi sehingga bisa mengungkap detil dari objek yang diamati. Efisiensi kuantumnya juga tinggi yang berarti radiasi apa pun yang jatuh pada CCD akan terdeteksi. Respon spektrumnya lebar sehingga bisa digunakan untuk pengamatan sinar-X sampai sinar inframerah, bukan hanya cahaya tampak. Noise-nya rendah sehingga citra objek akan tampak lebih jelas. Rentang dinamiknya lebar, objek yang terang dan yang redup bisa sama-sama ditampilkan secara jelas. Ini berbeda dengan fotografi yang terpaksa harus mengorbankan salah satunya, yang terang atau yang redup. Kemampuan pengukuran kuat cahaya objek sangat akurat sehingga suatu objek yang dua kali lebih terang daripada objek alinnya akan secara tepat ditampilkan seperti itu.

Karena keunggulannya itu, kamera CCD kini luas digunakan dalam pengamatan astronomi. Pesawat antariksa yang mengamati komet Halley pada pertengahan tahun 1980-an juga dilengkapi denga kamera CCD. Teleskop Hubble, teleskop yang ditempatkan di luar angkasa yang saat ini menguak rahasia alam semesta secara lebih detil, menggunakan kamera CCD sebagai detektor utamanya. Saat ini hampir semua observatorium sudah memiliki teleskop yang dilengkapi dengan kamera CCD. Astronom amatir pun kini banyak yang memilikinya.

Dengan perkembangan teknologi detektor dan kontrol teleskop yang berbasis komputer, astronom kini cukup duduk di depan komputer di ruang kontrol. Tidak perlu lagi selalu berada di dekat teleskopnya.

E.   Penutup

Demikianlah pembahasan yang dapat kami sampaikan terntang detektor pada teleskop optik. Mudah-mudahan bisa menambah wawasan dan bahan pertimbangan untuk kita semua dalam melangkah ke depan. Dan semoga bermanfaat bagi kami khususnya dan bagi pembaca umumnya. Kami juga sangat menyadari bahwa dalam pembuatan makalah ini masih banyak sekali kekurangan dan kesalahan dari berbagai segi. Oleh karena itu, kami akan selalu membuka kritik dan saran yang bersifat konstruktif untuk kesempurnaan makalah ini. Atas perhatiannya, kami ucapkan terima kasih.