NAIR-APREXIS: Enabling photonics-based instruments for long-baseline interferometry and integral-field spectroscopy

Astronomen suchen schon lange danach, das Universum mit schärferen Augen zu sehen, und verschieben dabei die Grenzen dessen, was ihre Teleskope auflösen können. Um dies zu erreichen, kombinieren sie oft das Licht aus mehreren Teleskopen, eine Technik, die als Interferometrie bezeichnet wird und wie ein einzener, riesiger Spiegel wirkt. Das traditionelle Verfahren hierfür stützt sich jedoch auf sperrige Glaslinsen und Spiegel, die schwer, schwierig perfekt auszurichten und anfällig für Lichtverluste auf dem Weg sind. In den letzten Jahren ist ein neuer Ansatz entstanden, der Licht nicht als einen Strahl betrachtet, der von großen Oberflächen abprallt, sondern als ein Signal, das durch winzige, mikroskopische Kanäle reist, die direkt in Glas geätzt wurden. Dieses Feld, bekannt als Astrophotonik, verspricht, komplexe Instrumente auf die Größe eines Chips zu schrumpfen und bietet dadurch größere Stabilität und Präzision. Die Herausforderung besteht darin, zu beweisen, dass diese empfindlichen, mikroskopischen Strukturen den harten Bedingungen eines echten Observatoriums standhalten und ebenso gut funktionieren können wie ihre massiven, traditionellen Gegenstücke.

Ein Team von Forschern, das am NAIR-APREX-Projekt arbeitet, hat nun überzeugende Beweise geliefert, dass dieser mikroskopische Ansatz bereit für den Einsatz ist. Es ist ihnen gelungen, mehrere neue Arten von Instrumenten mit einer Technik namens ultraschneller Laserinschriftierung aufzubauen und zu testen, bei der ein leistungsstarker Laser winzige lichtleitende Pfade direkt in Glasblöcke schreibt. Ihre Arbeit zeigt, dass diese Glaschips nicht nur das Licht ferner Sterne mit extremer Präzision kombinieren können, sondern auch das Licht eines Teleskops reorganisieren können, um detaillierte Karten von Planeten und Sternen zu erstellen. Das Team hat seine Geräte bereits an tatsächlichen Teleskopen in Kalifornien getestet und bereitet sich darauf vor, im Jahr 2027 ein neues System in Chile zu testen. Diese Tests zeigen, dass diese winzigen Werkzeuge schwaches Sternenlicht mit hoher Effizienz einfangen können und über lange Zeiträume stabil bleiben, was den Weg für eine neue Generation kompakter, hochleistungsfähiger astronomischer Instrumente ebnet.

Der erste große Erfolg des Projekts war ein Gerät, das darauf ausgelegt ist, das Licht von zwei Teleskopen zu kombinieren, um die Helligkeit und Form von Sternen zu messen. Die Forscher bauten dieses Instrument unter Verwendung einer speziellen Art von Glas namens Infrasil, das transparent für das Infrarotlicht ist, das zur Untersuchung kühlerer Objekte im Weltraum verwendet wird. Sie nutzten ihre Lasertechnik, um ein Netzwerk mikroskopischer Kanäle in das Glas zu ätzen, das das Sternenlicht spaltet und wieder vereint. Als sie dieses Gerät am CHARA Array, einer Ansammlung von sechs Teleskopen in Kalifornien, testeten, waren die Ergebnisse beeindruckend. Das Instrument erwies sich als bemerkenswert stabil und behielt seine Leistung über Stunden der Beobachtung bei. Es war in der Lage, die Interferenzmuster von Sternen mit einer Präzision von einem Prozent zu messen, einem Genauigkeitsniveau, das für ernsthafte wissenschaftliche Entdeckungen erforderlich ist. Noch wichtiger war, dass das Gerät effizient war, was bedeutete, dass mehr als vierzig Prozent des Sternenlichts zum Detektor durchgelassen wurden, und es konnte Sterne bis zur Magnitude fünf detektieren, ohne zusätzliche Ausrüstung zur Stabilisierung des Lichts zu benötigen. Dieser Erfolg zeigte, dass ein kleiner, massiver Glasblock komplexe, sperrige optische Systeme ersetzen kann, während er eine überlegene Stabilität liefert.

Über das bloße Kombinieren von Licht hinaus entwickelt das Team auch Werkzeuge, um das verschwommene Bild eines Sterns oder Planeten in eine detaillierte Karte aus Licht und Farbe zu verwandeln, eine Fähigkeit, die als integrale Feldspektroskopie bekannt ist. Um dies zu erreichen, stellen sie eine neue Art von Glasfaserkabel her, das über einhundert winzige Kerne enthält, von denen jeder als separater Pixel fungiert, um Licht aus einem anderen Teil des Himmels einzufangen. Eine große Hürde bei solchen Designs ist die Verhinderung des Leckens von Licht eines Kerns in seinen Nachbarn, was das Bild verwischen würde. Durch die Verwendung eines heterogenen Designs, bei dem die Kerne leicht unterschiedliche Größen haben, ist es den Forschern gelungen, dieses Lecken auf ein Niveau zu unterdrücken, bei dem weniger als ein Teil von tausend des Lichts übergeht. Sie bauen derzeit ein vollständiges System auf, das ein mit einem Laser geschriebenes Gerät enthält, um diese Kerne in eine Linie anzuordnen und so einen Spektrographen zu speisen. Dieses System soll 2027 an einem Teleskop in Chile getestet werden, mit dem Ziel, Astronomen dabei zu helfen, Planeten zu entdecken und zu untersuchen, die andere Sterne umkreisen.

Das Projekt untersuchte auch, wie man die Instrumente selbst noch kleiner und integrierter gestalten kann. Die Forscher druckten winzige, dreidimensionale optische Komponenten direkt auf die Enden von Glasfaserkabeln mittels eines Prozesses namens Zwei-Photonen-Polymerisation. Diese Komponenten fungieren als Miniatur-Spektrographen, die das Licht in seine Farben aufspalten, um die chemische Zusammensetzung von Himmelsobjekten zu analysieren. Jedes Gerät ist weniger als einen Millimeter groß und schafft es dennoch, das Licht innerhalb eines einzigen, soliden Stücks Materials zu expandieren, zu kollimieren und zu dispergieren. In Labortests erreichten diese winzigen Spektrographen eine Auflösung von etwa dreißig, was bedeutet, dass sie eng beieinander liegende Farben unterscheiden konnten, und sie übertrugen mehr als achtzig Prozent des Lichts. Dieses Maß an Integration deutet darauf hin, dass zukünftige Instrumente unglaublich leicht sein könnten und keine Ausrichtung benötigen, da die optischen Teile dauerhaft miteinander verschmolzen sind.

Eine weitere innovative Entwicklung betrifft die Erstellung winziger pyramidenförmiger Sensoren, die verwendet werden, um die Qualität der Sicht des Teleskops zu messen. Traditionell werden diese Pyramiden aus Glas gefertigt und erfordern ein teures, schwieriges Polieren, um perfekt scharfe Kanten zu erreichen. Das Team nutzte den 3D-Optikdruck, um diese Pyramiden herzustellen, die nur wenige Millimeter breit sind. Ihre Messungen zeigten, dass diese gedruckten Pyramiden eine Oberflächenglätte und Kantenschärfe aufweisen, die der Qualität traditionell hergestellter Glaspyramiden entspricht oder diese sogar übertrifft. Aufgrund ihrer geringen Größe führen sie auch eine einzigartige Form der Filterung ein, die die Messungen der atmosphärischen Turbulenz durch Astronomen verbessern könnte. Erste Tests an einem Adaptive-Optics-Teststand bestätigten, dass diese gedruckten Sensoren wie vorhergesagt funktionieren, was die Tür für günstigere, vielseitigere Wellenfrontsensoren für zukünftige Teleskope öffnet.

Die wohl bedeutendste Validierung dieser Technologie kam aus einer Langzeitstudie eines Sensors, der am Large Binocular Telescope installiert wurde. Dieser Sensor, der eine Ringstruktur aus winzigen gedruckten Linsen verwendet, um Licht in eine Faser zu fokussieren, war sechs Jahre lang in der realen Welt im Einsatz. Während dieser Zeit war er Temperaturschwankungen, Luftfeuchtigkeit, Vibrationen und der ständigen Bewegung des Teleskops ausgesetzt. Trotz dieser harschen Bedingungen funktionierte der Sensor einwandfrei und zeigte keinerlei Anzeichen von Degradation oder Abweichungen in seiner Leistung. Dieser sechsjährige Rekord beweist, dass diese 3D-gedruckten optischen Komponenten robust genug sind, um die anspruchsvolle Umgebung eines Observatoriums langfristig zu überstehen. Er bestätigt, dass die Technologie nicht nur eine Laborkuriosität ist, sondern eine lebensfähige Lösung für die Zukunft der astronomischen Instrumentierung darstellt, die den Weg für Instrumente ebnet, die kleiner, stabiler und in der Lage sind, das Universum mit beispielloser Klarheit zu enthüllen.