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

Para encontrar un mundo como el nuestro, los astrónomos deben buscar un tenue resplandor oculto en el cegador brillo de una estrella distante. Este es el desafío fundamental de la búsqueda de exoplanetas: la estrella es millones de veces más brillante que el planeta que alberga, lo que hace que el planeta sea casi imposible de ver directamente. Una de las formas más prometedoras de resolver este problema es una técnica llamada interferometría de anulación. Imagine dos telescopios trabajando juntos como un solo instrumento, recolectando la luz de una estrella y combinándola de tal manera que las ondas de la luz estelar se cancelen entre sí, como dos ondas en un estanque que se encuentran y aplanan el agua. Si la cancelación es perfecta, la estrella desaparece, dejando visible solo la tenue luz de cualquier planeta en órbita. Sin embargo, lograr esta cancelación perfecta requiere una precisión extrema, especialmente cuando se buscan planetos en la parte media del infrarrojo del espectro, donde el calor de los propios planetas brilla con más fuerza. Para alcanzar la sensibilidad necesaria, todo el instrumento debe enfriarse a temperaturas cercanas al cero absoluto, una condición que introduce nuevos desafíos físicos a medida que los materiales se encogen y se desplazan.

En el Instituto Federal de Tecnología de Suiza en Zúrich, un equipo de investigadores está construyendo un banco de pruebas de laboratorio llamado Experimento Criogénico de Interferometría de Anulación, o NICE, para demostrar que esta difícil tecnología puede funcionar. Su objetivo es preparar la misión LIFE, un futuro observatorio espacial diseñado para cazar mundos habitables. En su último informe, el equipo describe cómo han demostrado con éxito la capacidad de cancelar la luz estelar a un nivel de una parte en cien mil, pero solo para un color de luz y un estado de polarización único. Este es un umbral crucial para la misión, pero se queda corto de los requisitos de banda ancha completa y de independencia de la polarización necesarios para el instrumento espacial final. Lo lograron utilizando una configuración que imita el instrumento espacial final, pero lo hicieron primero a temperatura ambiente para asegurar que el concepto básico funciona antes de intentar la tarea mucho más difícil de enfriar todo el sistema a quince Kelvin, que es aproximadamente menos 258 grados Celsius. Los investigadores descubrieron que, si bien podían alcanzar la oscuridad requerida en un solo color de luz, extender este rendimiento a través de un amplio rango de colores y diferentes polarizaciones de luz reveló varios obstáculos persistentes que deben resolverse antes de que la misión espacial pueda volar.

El experimento se basa en un interferómetro de dos haces, un dispositivo que divide un haz láser en dos caminos y luego los recombina. En la configuración de NICE, la luz viaja a través de una serie de espejos y lentes, guiada por un sofisticado sistema de control que mide constantemente la posición de los haces y realiza pequeños ajustes para mantenerlos perfectamente alineados. Los investigadores utilizaron un tipo especial de cable de fibra óptica para filtrar la luz, permitiendo que solo las ondas más limpias y uniformes pasen al detector. Este filtrado es esencial porque elimina cualquier distorsión desordenada en la onda de luz que impediría que la luz estelar se cancelara por completo. En sus pruebas iniciales a temperatura ambiente, el equipo logró crear un "nulo", o un punto de oscuridad, lo suficientemente profundo como para cumplir con los requisitos de la misión LIFE, pero solo para un color de luz único y estrecho. También demostraron que el sistema podía mantener esta oscuridad durante un corto período, probando que el concepto es viable.

Sin embargo, el camino hacia un telescopio espacial funcional está pavimentado con complicaciones que solo aparecen cuando el sistema se lleva al límite. Los investigadores descubrieron que sus cables de fibra óptica actuales no eran perfectos para bloquear patrones de luz no deseados. Aunque el haz principal de luz pasaba limpiamente, algo de luz errante se filtraba a través de las capas exteriores del cable, creando un tenue resplandor de fondo que impedía que la luz estelar se cancelara por completo. Esta filtración era tan sutil que solo se hizo visible cuando intentaron alcanzar los niveles más profundos de oscuridad. El equipo probó varios tipos diferentes de materiales y recubrimientos de fibra para detener esta fuga, incluyendo vidrio exótico y recubrimientos especiales de metal líquido, pero ninguno de estos intentos resolvió completamente el problema. Encontraron que, si bien mejorar la alineación del equipo podía reducir la cantidad de luz errante que entraba en la fibra, este enfoque no soluciona el problema subyacente de la fuga de modo y, de hecho, reduce las tolerancias permitidas para el sistema.

Otro obstáculo importante es el color de la luz misma. La misión LIFE necesita observar una amplia gama de colores infrarrojos, desde cuatro hasta dieciocho micrómetros, para detectar las firmas químicas de la vida. El equipo de NICE encontró que, si bien podían cancelar un color de luz específico, mantener la cancelación perfecta a través de un espectro amplio es increíblemente difícil. Esto se debe a que los diferentes colores de luz viajan a velocidades ligeramente diferentes a través del vidrio y otros materiales en el instrumento, lo que hace que se desfasen unos con otros. Los investigadores construyeron un modelo para predecir cuánto error causaría esto y descubrieron que las tolerancias de fabricación para los componentes de vidrio tendrían que ser increíblemente estrictas, con errores menores al ancho de un cabello humano. Actualmente están desarrollando un dispositivo mecánico que puede desplazar una pieza de vidrio de un lado a otro una cantidad minúscula para corregir este error de sincronización, pero aún no han logrado un nulo profundo a través de una banda amplia de colores.

El equipo también investigó cómo la polarización de la luz, que describe la dirección en la que las ondas de luz vibran, afecta la cancelación. Dado que las estrellas y los planetas emiten luz que vibra en todas las direcciones, el instrumento debe ser capaz de cancelar ambos tipos de vibración con la misma eficacia. Los investigadores midieron la polarización de los dos haces y descubrieron que pequeñas diferencias en el ángulo de los espejos hacían que la luz vibrara ligeramente de forma distinta en cada trayectoria. Esta diferencia, aunque pequeña, fue suficiente para degradar la calidad de la cancelación. Identificaron un espejo específico en el sistema de línea de retardo como el principal culpable y corrigieron su alineación, lo que mejoró los resultados. Sin embargo, aún necesitan determinar si las diferencias restantes son lo suficientemente pequeñas como para cumplir con los estrictos requisitos de la misión o si necesitarán construir un nuevo mecanismo para corregir activamente la polarización.

Mirando hacia el futuro, los investigadores se preparan para trasladar su experimento de un entorno de temperatura ambiente a un entorno criogénico. Han construido un congelador pequeño y modular llamado "Ice Cube" para probar cómo se comportan los materiales y las partes mecánicas de su instrumento al enfriarse hasta los quince Kelvin. Este paso es crítico porque el frío extremo hace que los materiales se contraigan, lo que podría desajustar la delicada alineación de los espejos. El equipo planea usar este congelador para probar diferentes formas de montar la óptica y para verificar que sus sistemas de control aún pueden funcionar en el frío. Una vez que hayan confirmado que los componentes pueden sobrevivir al frío, comenzarán a diseñar un congelador mucho más grande que albergará todo el instrumento. El objetivo final es demostrar que se puede lograr un nulo profundo y estable a estas bajas temperaturas, probando que la tecnología está lista para el entorno espacial.

La hoja de ruta para el experimento NICE es clara, aunque el trabajo por delante es sustancial. El equipo ya ha demostrado que la idea básica funciona y ha identificado los obstáculos técnicos específicos que se interponen en el camino de una misión espacial a gran escala. Ahora se centran en resolver los problemas de la luz errante, los amplios rangos de color y la polarización, todo ello mientras se preparan para el frío extremo del espacio. Si tienen éxito, habrán proporcionado la prueba de concepto esencial necesaria para lanzar la misión LIFE, un proyecto que finalmente podría revelar los secretos de los planetas que podrían albergar vida. El viaje desde un banco de laboratorio hasta un telescopio espacial es largo y está lleno de desafíos, pero el equipo de NICE ha demostrado que el camino a seguir es posible, un ajuste preciso a la vez.