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

Los astrónomos han buscado durante mucho tiempo ver el universo con ojos más agudos, forzando los límites de lo que sus telescopios pueden resolver. Para lograr esto, a menudo combinan la luz de múltiples telescopios, una técnica llamada interferometría, que actúa como un único y gigante espejo. Sin embargo, la forma tradicional de hacer esto depende de lentes y espejos de vidrio voluminosos que son pesados, difíciles de alinear perfectamente y propensos a perder luz en el camino. En años recientes, ha surgido un nuevo enfoque que trata la luz no como un haz que rebota en grandes superficies, sino como una señal que viaja a través de diminutos canales microscópicos tallados directamente en el vidrio. Este campo, conocido como astrofotónica, promete reducir instrumentos complejos al tamaño de un chip, ofreciendo mayor estabilidad y precisión. El desafío ha sido demostrar que estas delicadas estructuras microscópicas pueden sobrevivir a las duras condiciones de un observatorio real y desempeñarse tan bien como sus contrapartes masivas y tradicionales.

Un equipo de investigadores que trabaja en el proyecto NAIR-APREXIS ha proporcionado ahora evidencia convincente de que este enfoque microscópico está listo para su etapa de uso principal. Han construido y probado con éxito varios nuevos tipos de instrumentos utilizando una técnica llamada inscripción por láser ultrafasto, donde un láser potente escribe diminutos caminos de guía de luz directamente dentro de bloques de vidrio. Su trabajo demuestra que estos chips de vidrio no solo pueden combinar la luz de estrellas distantes con extrema precisión, sino también reorganizar la luz de un telescopio para crear mapas detallados de planetas y estrellas. El equipo ya ha probado sus dispositivos en telescopios reales en California, y se están preparando para probar un nuevo sistema en Chile en 2027. Estas pruebas muestran que estas diminutas herramientas pueden capturar la tenue luz estelar con alta eficiencia y mantener la estabilidad durante largos períodos, allanando el camino para una nueva generación de instrumentos astronómicos compactos y de alto rendimiento.

El primer gran éxito del proyecto involucró un dispositivo diseñado para combinar la luz de dos telescopios para medir el brillo y la forma de las estrellas. Los investigadores construyeron este instrumento utilizando un tipo especial de vidrio llamado Infrasil, que es transparente a la luz infrarroja utilizada para estudiar objetos fríos en el espacio. Utilizaron su técnica de láser para tallar una red de canales microscópicos dentro del vidrio que dividen y recombinan la luz estelar. Cuando probaron este dispositivo en el CHARA Array, una colección de seis telescopios en California, los resultados fueron impresionantes. El instrumento demostró ser notablemente estable, manteniendo su rendimiento durante horas de observación. Fue capaz de medir los patrones de interferencia de las estrellas con una precisión del uno por ciento, un nivel de exactitud requerido para el descubrimiento científico serio. Aún más importante, el dispositivo fue eficiente, permitiendo que más del cuarenta por ciento de la luz estelar pasara al detector, y pudo detectar estrellas tan tenues como magnitud cinco sin necesidad de equipo adicional para estabilizar la luz. Este éxito mostró que un pequeño y sólido bloque de vidrio podía reemplazar sistemas ópticos complejos y voluminosos, entregando al mismo tiempo una estabilidad superior.

Más allá de simplemente combinar la luz, el equipo también está desarrollando herramientas para convertir la imagen borrosa de una estrella o planeta en un mapa detallado de luz y color, una capacidad conocida como espectroscopia de campo integral. Para lograr esto, están creando un nuevo tipo de cable de fibra óptica que contiene más de cien núcleos diminutos, cada uno actuando como un píxel separado para capturar luz de una parte diferente del cielo. Un obstáculo importante en tales diseños es evitar que la luz de un núcleo se filtre hacia su vecino, lo que emborronaría la imagen. Al utilizar un diseño heterogéneo donde los núcleos son de tamaños ligeramente diferentes, los investigadores han logrado suprimir esta filtración a un nivel donde menos de una parte en mil de la luz se cruza. Actualmente están construyendo un sistema completo que incluye un dispositivo escrito por láser para reorganizar estos núcleos en una línea, alimentando un espectrógrafo. Este sistema está programado para ser probado en un telescopio en Chile en 2027, con el objetivo de ayudar a los astrónomos a detectar y estudiar planetas que orbitan otras estrellas.

El proyecto también exploró cómo hacer que los instrumentos mismos sean aún más pequeños e integrados. Los investigadores imprimieron diminutos componentes ópticos tridimensionales directamente en las puntas de cables de fibra óptica utilizando un proceso llamado polimerización de dos fotones. Estos componentes actúan como espectrógrafos en miniatura, dividiendo la luz en sus colores para analizar la composición química de objetos celestes. Cada dispositivo mide menos de un milímetro, pero logra expandir, colimar y dispersar la luz, todo dentro de una sola pieza sólida de material. En pruebas de laboratorio, estos diminutos espectrógrafos alcanzaron un poder de resolución de aproximadamente treinta, lo que significa que podían distinguir entre colores cercanos, y transmitieron más del ochenta por ciento de la luz. Este nivel de integración sugiere que los instrumentos futuros podrían ser increíblemente ligeros y no requerir alineación, ya que las partes ópticas están fusionadas permanentemente.

Otro desarrollo innovador involucra la creación de sensores diminutos en forma de pirámide utilizados para medir la calidad de la visión del telescopio. Tradicionalmente, estas pirámides están hechas de vidrio y requieren un pulido costoso y difícil para lograr bordes perfectamente afilados. El equipo utilizó impresión óptica 3D para crear estas pirámides, que tienen solo unos pocos milímetros de ancho. Sus mediciones mostraron que estas pirámides impresas tienen una suavidad superficial y una nitidez de bordes que igualan o incluso superan la calidad de las pirámides de vidrio fabricadas tradicionalmente. Debido a que son tan pequeñas, también introducen una forma única de filtrado que podría mejorar cómo los astrónomos miden la turbulencia atmosférica. Pruebas iniciales en un banco de pruebas de óptica adaptativa confirmaron que estos sensores impresos funcionan según lo previsto, abriendo la puerta a sensores de frente de onda más económicos y versátiles para futuros telescopios.

Quizás la validación más significativa de esta tecnología provino de un estudio a largo plazo de un sensor instalado en el Gran Telescopio Binocular. Este sensor, que utiliza un anillo de diminutas lentes impresas para ayudar a enfocar la luz hacia una fibra, ha estado operando en el mundo real durante seis años. Durante este tiempo, ha estado expuesto a cambios de temperatura, humedad, vibración y el movimiento constante del telescopio. A pesar de estas duras condiciones, el sensor continuó funcionando perfectamente, sin mostrar signos de degradación o deriva en su rendimiento. Este registro de seis años demuestra que estos componentes ópticos impresos en 3D son lo suficientemente robustos como para sobrevivir al exigente entorno de un observatorio a largo plazo. Confirma que la tecnología no es solo una curiosidad de laboratorio, sino una solución viable para el futuro de la instrumentación astronómica, ofreciendo un camino hacia instrumentos más pequeños, más estables y capaces de revelar el universo con una claridad sin precedentes.