On-Sky Single-photon Time resolution of 35 ps with White Rabbit synchronization: towards the measurement of the size of a White Dwarf star

Resumen Técnico: Resolución Temporal de Fotón Único en Cielo de 35 ps con Sincronización White Rabbit

Planteamiento del Problema
El proyecto IC4Stars (Intensity Correlation for Stars) tiene como objetivo medir el diámetro angular de la enana blanca Sirius B mediante interferometría de intensidad. Las predicciones teóricas sugieren que Sirius B tiene un radio del tamaño de la Tierra y una masa solar, lo que resulta en un diámetro angular de aproximadamente 30 microsegundos de arco (µas). Resolver este objeto en el rango espectral azul requiere una separación de telescopios de aproximadamente un kilómetro. Lograr una Relación Señal-Ruido (SNR) de ~10 en unas pocas noches con telescopios de clase 8 metros requiere superar importantes obstáculos técnicos, específicamente:

• Alcanzar la detección de fotón único con una resolución temporal en la escala de las decenas de picosegundos.
• Sincronizar dos instrumentos separados por ~1 km con una precisión que exceda la resolución temporal del detector.
• Gestionar los datos brutos de marcas temporales (time-tag) para el monitoreo y análisis en línea.
• Desarrollar algoritmos eficientes para computar la función de correlación de segundo orden, $g^{(2)}$, en tiempo real y en el post-análisis.

Metodología
Los autores presentan un instrumento prototipo y una serie de pruebas de caracterización que conducen a una campaña de observación en cielo realizada en marzo de 2026 en el telescopio de 1 metro Epsilon (C2PU, Observatoire de la Côte d'Azur).

• Caracterización del Detector: El sistema utiliza detectores de fotón único PhotonPix (Photonscore) que cuentan con un fotocátodo y una placa de microcanales (MCP). Las pruebas de laboratorio caracterizaron el jitter del detector en función del voltaje de polarización (Bias Voltage) y el diámetro del haz. El equipo identificó un efecto de "saturación local" donde el enfoque de un flujo de fotones en un diámetro pequeño (<1 mm) degrada el rendimiento del jitter y reduce las tasas de conteo. Para mitigar esto, el montaje experimental empleó un diámetro de haz de 6 mm para asegurar una iluminación uniforme del área sensible.
• Sincronización y DAQ: El sistema de Adquisición de Datos (DAQ) consta de dos unidades Time Tagger Ultra (Swabian Instruments), cada una disciplinada por una unidad de sincronización White Rabbit (Safran WR-LEN). Las unidades WR están vinculadas mediante una fibra óptica de telecomunicaciones de 30 metros, proporcionando un reloj común de 10 MHz y una señal 1 PPS. Un generador de pulsos proporcionó señales de referencia para caracterizar el jitter intrínseco del sistema en el laboratorio.
• Configuración On-Sky: El módulo óptico, montado en el foco Cassegrain del telescopio, incluía una lente divergente (haz de 6 mm), un espejo dicroico, un filtro de banda pasante de 417 nm (ancho de banda de 1 nm) y un divisor de haz (beam splitter) de 50:50 que dirige la luz a los dos detectores. Las estaciones de DAQ se montaron directamente en la parte posterior del telescopio para minimizar la longitud de los cables.
• Estrategia de Observación: La campaña observó estrellas brillantes y no resueltas (Regulus y Vega) para medir el pico de agrupamiento (bunching peak) temporal en la línea de base cero. La adquisición de datos consistió en el registro de marcas temporales brutas de ambos TDCs, que luego fueron procesadas para computar la función de correlación de segundo orden.

Resultados Clave

• Caracterización de Laboratorio:

  • El jitter del detector disminuyó al aumentar el voltaje de polarización; el sistema operó a la polarización máxima.
  • El jitter aumentó significamente cuando el diámetro del haz se redujo por debajo de 3 mm debido a la saturación local.
  • El Time Tagger Ultra demostró un jitter intrínseco de $\sigma_{TDC} \approx 11.0$ ps.
  • Las unidades de sincronización White Rabbit demostraron un jitter de sincronización de $\sigma_{WR} \approx 8.8$ ps.
  • El sistema DAQ completo de laboratorio (dos TDCs + dos WRs + 30m de fibra) logró un jitter total de $\sigma_{DAQ}^{(lab)} = 18.9$ ps RMS.

• Rendimiento On-Sky:

  • Jitter del DAQ: Las mediciones de campo del sistema DAQ (usando la referencia del Generador de Pulsos) arrojaron un jitter de $\sigma_{DAQ}^{(field)} = 18.0$ ps RMS, consistente con los parámetros de referencia del laboratorio.
  • Resolución Temporal Total: El análisis de la función de correlación temporal de segundo orden, $g^{(2)}(t) - 1$, resultó en una resolución temporal total del sistema de $\sigma_{Tot}^{(field)} = (34.7 \pm 4.4)$ ps RMS. Este valor es consistente con la suma teórica de las contribuciones del DAQ y del detector ($\sigma_{Tot}^{(lab)} = 31.7$ ps).
  • Tiempo de Coherencia y SNR: El tiempo de coherencia medido fue de $(0.426 \pm 0.051)$ ps, consistente con los 0.492 ps esperados derivados de los datos de transmisión del filtro. La SNR observada fue de 8.19, coincidiendo con los 8.28 esperados.
  • Discrepancia en la Tasa de Conteo: La tasa de conteo observada fue aproximadamente un 40% menor que las predicciones teóricas basadas en la luminosidad estelar, la extinción atmosférica y la eficiencia del detector. Los autores señalan que este déficit está bajo investigación.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo reivindica un hito significativo en el desarrollo de la interferometría de intensidad para la medición del diámetro estelar. El logro principal es la demostración de una resolución temporal on-sky de aproximadamente 35 ps, lo que representa una mejora de un factor de 10 respecto a configuraciones anteriores. Los autores afirman que:

1. El sistema sincronizó con éxito dos TDCs independientes sobre un enlace de fibra de 30 metros utilizando el protocolo White Rabbit con una precisión de 18.0 ps RMS.
2. La resolución temporal total (detectores + electrónica + sincronización) es consistente con las caracterizaciones de laboratorio, validando la escalabilidad del enfoque.
3. La medición exitosa del pico de agrupamiento con una SNR consistente con las predicciones confirma la viabilidad de la adquisición de datos y los algoritmos de correlación para futuras campañas a mayor escala.

Los autores concluyen que este nivel de resolución implica que las líneas de base de los futuros telescopios deben conocerse con precisión de escala milimétrica para explotar plenamente las capacidades del sistema. Planean desplegar el sistema a través de dos telescopios separados para realizar interferometría de intensidad espacial, un paso necesario hacia el objetivo final de medir el diámetro de Sirius B.