A NICE (Nulling Interferometry Cryogenic Experiment) update: Beyond 1e-5 and towards cryogenic operation

Um eine Welt wie die unsere zu finden, müssen Astronomen nach einem schwachen Leuchten suchen, das im blendenden Glanz eines fernen Sterns verborgen liegt. Dies ist die grundlegende Herausforderung bei der Suche nach Exoplaneten: Der Stern ist Millionen Mal heller als der Planet, den er beherbergt, was es nahezu unmöglich macht, den Planeten direkt zu sehen. Eine der vielversprechendsten Möglichkeiten, dieses Problem zu lösen, ist eine Technik namens Nulling-Interferometrie. Stellen Sie sich zwei Teleskope vor, die zusammenarbeiten wie ein einzelnes Instrument, das das Licht eines Sterns sammelt und es so kombiniert, dass sich die Lichtwellen des Sterns gegenseitig auslöschen – wie zwei Wellen in einem Teich, die aufeinandertreffen und das Wasser glätten. Wenn die Auslöschung perfekt ist, verschwindet der Stern und lässt nur das schwache Licht etwaiger kreisender Planeten sichtbar werden. Das Erreichen dieser perfekten Auslöschung erfordert jedoch extreme Präzision, insbesondere wenn man im mittleren Infrarotbereich des Spektrums sucht, wo die Wärme der Planeten selbst am hellsten strahlt. Um die erforderliche Empfindlichkeit zu erreichen, muss das gesamte Instrument auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt gekühlt werden – eine Bedingung, die neue physikalische Herausforderungen mit sich bringt, da sich Materialien zusammenziehen und verschieben.

Am Polytechnikum der ETH Zürich baut ein Forscherteam einen Labor-Teststand namens Nulling Interferometry Cryogenic Experiment, oder kurz NICE, um zu beweisen, dass diese schwierige Technologie funktionieren kann. Ihr Ziel ist die Vorbereitung auf die LIFE-Mission, ein zukünftiges Weltraumobservatorium, das darauf ausgelegt ist, bewohnbare Welten aufzuspüren. In ihrem neuesten Bericht beschreibt das Team, wie es erfolgreich die Fähigkeit demonstriert hat, das Sternenlicht bis zu einem Grad von eins zu einhunderttausend auszulöschen, allerdings nur für eine einzige Lichtfarbe und einen einzigen Polarisationszustand. Dies ist eine entscheidende Schwelle für die Mission, erreicht jedoch noch nicht die Anforderungen an die volle Breitbandigkeit und Polarisationsunabhängigkeit, die für das endgültige Weltrauminstrument erforderlich sind. Sie erreichten dies mit einem Aufbau, der das endgültige Weltrauminstrument nachahmt, taten dies jedoch zuerst bei Raumtemperatur, um sicherzustellen, dass das Grundkonzept funktioniert, bevor sie sich der viel schwierigeren Aufgabe widmen, das gesamte System auf fünfzehn Kelvin zu kühlen, was etwa minus 258 Grad Celsius entspricht. Die Forscher fanden heraus, dass sie zwar die erforderliche Dunkelheit für eine einzige Lichtfarbe erreichen konnten, die Ausdehnung dieser Leistung auf ein breites Spektrum an Farben und verschiedene Polarisationen des Lichts jedoch mehrere hartnäckige Hindernisse offenbarte, die gelöst werden müssen, bevor die Weltraummission fliegen kann.

Das Experiment basiert auf einem Zwei-Strahl-Interferometer, einem Gerät, das einen Laserstrahl in zwei Pfade aufteilt und sie dann wieder kombiniert. Im NICE-Aufbau wandert das Licht durch eine Reihe von Spiegeln und Linsen, geleitet von einem hochentwickelten Kontrollsystem, das ständig die Position der Strahlen misst und winzige Anpassungen vornimmt, um sie perfekt auszurichten. Die Forscher verwendeten eine spezielle Art von Glasfaserkabel, um das Licht zu filtern, sodass nur die reinsten, gleichmäßigsten Wellen zum Detektor gelangen können. Diese Filterung ist essenziell, da sie jegliche unordentlichen Verzerrungen in der Lichtwelle entfernt, die verhindern würden, dass das Sternlicht vollständig ausgelöscht wird. In ihren ersten Tests bei Raumtemperatur gelang es dem Team, ein „Nulling“, also einen Punkt der Dunkelheit, zu erzeugen, der tief genug war, um die Anforderungen der LIFE-Mission zu erfüllen, jedoch nur für eine einzige, schmale Lichtfarbe. Sie zeigten auch, dass das System diese Dunkelheit für eine kurze Zeit aufrechterhalten konnte, was das Konzept für praktikabel erklärt.

Der Weg zu einem funktionierenden Weltraumteleskop ist jedoch mit Komplikationen gepflastert, die erst auftreten, wenn das System an seine Grenzen gebracht wird. Die Forscher stellten fest, dass ihre derzeitigen Glasfaserkabel nicht perfekt darin waren, unerwünschte Lichtmuster zu blockieren. Obwohl der Hauptstrahl des Lichts sauber durchging, drang etwas Streulicht durch die äußeren Schichten des Kabels ein, was ein schwaches Hintergrundleuchten erzeugte, das eine vollständige Auslöschung des Sternlichts verhinderte. Dieses Lecken war so subtil, dass es erst sichtbar wurde, als sie versuchten, die tiefsten Ebenen der Dunkelheit zu erreichen. Das Team testete verschiedene Arten von Fasermaterialien und Beschichtungen, um dieses Leck zu stoppen, einschließlich exotischer Gläser und spezieller Flüssigmetallbeschichtungen, aber keiner dieser Versuche konnte das Problem vollständig lösen. Sie fanden heraus, dass die Verbesserung der Ausrichtung der Ausrüstung zwar die Menge des in die Faser eintretenden Streulichts reduzieren kann, dies jedoch das zugrunde liegende Problem des Moden-Leckage (Mode Leakage) nicht behebt und tatsächlich die zulässigen Toleranzen des Systems verringert.

Ein weiteres großes Hindernis ist die Farbe des Lichts selbst. Die LIFE-Mission muss ein breites Spektrum an Infrarotfarben von vier bis achtzehn Mikrometern beobachten, um die chemischen Signaturen des Lebens zu detektieren. Das NICE-Team stellte fest, dass sie zwar eine spezifische Lichtfarbe auslöschen konnten, die perfekte Auslöschung über ein breites Spektrum hinweg jedoch unglaublich schwierig ist. Dies liegt daran, dass die verschiedenen Farben des Lichts durch das Glas und andere Materialien im Instrument mit leicht unterschiedlichen Geschwindigkeiten reisen, was dazu führt, dass sie aus dem Takt geraten. Die Forscher erstellten ein Modell, um vorherzusagen, wie viel Fehler dies verursachen würde, und fanden heraus, dass die Fertigungstoleranzen für die Glaskomponenten unglaublich eng sein müssten – mit Fehlern, die kleiner als die Breite eines menschlichen Haares sind. Sie entwickeln derzeit eine mechanische Vorrichtung, die ein Stück Glas in winzigen Schritten vor und zurück bewegen kann, um diesen Zeitfehler zu korrigieren, haben aber bisher noch kein tiefes Nulling über ein breites Band an Farben erreicht.

Das Team untersuchte auch, wie die Polarisation des Lichts – also die Richtung, in die die Lichtwellen vibrieren – die Auslöschung beeinflusst. Da Sterne und Planeten Licht aussenden, das in alle Richtungen vibriert, muss das Instrument in der Lage sein, beide Arten der Vibration gleichermaßen gut auszulöschen. Die Forscher maßen die Polarisation der beiden Strahlen und stellten fest, dass kleine Unterschiede im Winkel der Spiegel dazu führten, dass das Licht in jedem Pfad leicht unterschiedlich vibrierte. Dieser Unterschied, obwohl klein, reichte aus, um die Qualität der Auslöschung zu verschlechtern. Sie identifizierten einen spezifischen Spiegel im Verzögerungslinien-System als Hauptverursacher und korrigierten dessen Ausrichtung, was die Ergebnisse verbesserte. Sie müssen jedoch noch feststellen, ob die verbleibenden Unterschiede gering genug sind, um die strengen Anforderungen der Mission zu erfüllen, oder ob sie einen neuen Mechanismus bauen müssen, um die Polarisation aktiv zu korrigieren.

Mit Blick in die Zukunft bereiten die Forscher vor, ihr Experiment von der Raumtemperatur in eine kryogene Umgebung zu überführen. Sie haben einen kleinen, modularen Gefrierschrank namens „Ice Cube“ gebaut, um zu testen, wie sich die Materialien und mechanischen Teile ihres Instruments verhalten, wenn sie auf fünfzehn Kelvin abgekühlt werden. Dieser Schritt ist entscheidend, da die extreme Kälte dazu führt, dass sich Materialien zusammenziehen, was die empfindliche Ausrichtung der Spiegel aus dem Gleichgewicht bringen könnte. Das Team plant, diesen Gefrierschrank zu nutzen, um verschiedene Möglichkeiten der Montage der Optik zu testen und zu verifizieren, dass ihre Kontrollsysteme auch in der Kälte funktionieren können. Sobald sie bestätigt haben, dass die Komponenten der Kälte standhalten, werden sie mit dem Entwurf eines viel größeren Gefrierschranks beginnen, der das gesamte Instrument beherbergen wird. Das ultimative Ziel ist es, ein tiefes, stabiles Nulling bei diesen niedrigen Temperaturen zu demonstrieren und damit zu beweisen, dass die Technologie bereit für die Weltraumumgebung ist.

Der Fahrplan für das NICE-Experiment ist klar, wenngleich die anstehende Arbeit beträchtlich ist. Das Team hat bereits bewiesen, dass die Grundidee funktioniert, und hat die spezifischen technischen Barrieren identifiziert, die einer vollumfänglichen Weltraummission im Wege stehen. Sie konzentrieren sich nun darauf, die Probleme des Streulichts, der breiten Farbbereiche und der Polarisation zu lösen, während sie gleichzeitig das System auf die extreme Kälte des Weltraums vorbereiten. Sollten sie Erfolg haben, werden sie den entscheidenden Beweis für die Machbarkeit liefern, der für den Start der LIFE-Mission notwendig ist – ein Projekt, das schließlich die Geheimnisse von Planeten enthüllen könnte, die Leben beherbergen könnten. Der Weg vom Labortisch zum Weltraumteleskop ist lang und voller Herausforderungen, aber das NICE-Team hat gezeigt, dass der Weg nach vorne möglich ist, eine präzise Einstellung nach der anderen.