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

Pour trouver un monde semblable au nôtre, les astronomes doivent chercher une lueur faible cachée dans l'éclat aveuglant d'une étoile lointaine. C'est le défi fondamental de la recherche d'exoplanètes : l'étoile est des millions de fois plus brillante que la planète qu'elle héberge, ce qui rend la planète presque impossible à voir directement. L'une des méthodes les plus prometteuses pour résoudre ce problème est une technique appelée l'interférométrie à annulation (nulling interferometry). Imaginez deux télescopes travaillant ensemble comme un seul instrument, collectant la lumière d'une étoile et la combinant de telle manière que les ondes de la lumière stellaire s'annulent entre elles, comme deux ondulations dans un étang qui se rencontrent et aplatissent l'eau. Si l'annulation est parfaite, l'étoile disparaît, laissant seulement la faible lumière des planètes en orbite visible. Cependant, parvenir à cette annulation parfaite exige une précision extrême, en particulier lors de l'observation dans la partie moyenne de l'infrarouge du spectre, là où la chaleur des planètes elles-mêmes brille le plus intensément. Pour atteindre la sensibilité nécessaire, l'instrument entier doit être refroidi à des températures proches du zéro absolu, une condition qui introduit de nouveaux défis physiques alors que les matériaux rétrécissent et se déforment.

À l'École polytechnique fédérale de Zurich, une équipe de chercheurs construit un banc d'essai de laboratoire appelé l'expérience cryogénique d'interférométrie à annulation, ou NICE (Nulling Interferometry Cryogenic Experiment), pour prouver que cette technologie difficile peut fonctionner. Leur objectif est de préparer la mission LIFE, un futur observatoire spatial conçu pour traquer les mondes habitables. Dans leur dernier rapport, l'équipe décrit comment elle a réussi à démontrer la capacité d'annuler la lumière stellaire à un niveau d'une partie pour cent mille, mais uniquement pour une seule couleur de lumière et un seul état de polarisation. Il s'agit d'un seuil crucial pour la mission, pourtant il n'atteint pas les exigences de large bande et d'indépendance vis-à-vis de la polarisation nécessaires pour l'instrument spatial final. Ils y sont parvenus en utilisant une configuration qui imite l'instrument spatial final, mais ils l'ont fait d'abord à température ambiante pour s'assurer que le concept de base fonctionne avant d'entreprendre la tâche beaucoup plus difficile de refroidir l'ensemble du système à quinze Kelvin, soit environ moins 258 degrés Celsius. Les chercheurs ont constaté que, bien qu'ils puissent atteindre l'obscurité requise pour une seule couleur de lumière, étendre cette performance sur une large gamme de couleurs et différentes polarisations de lumière a révélé plusieurs obstacles tenaces qui doivent être résolus avant que la mission spatiale ne puisse décoller.

L'expérience est construite autour d'un interféromètre à deux faisceaux, un dispositif qui divise un faisceau laser en deux chemins puis les recombine. Dans la configuration NICE, la lumière voyage à travers une série de miroirs et de lentilles, guidée par un système de contrôle sophistiqué qui mesure constamment la position des faisceaux et effectue de minuscules ajustements pour les maintenir parfaitement alignés. Les chercheurs ont utilisé un type spécial de câble à fibre optique pour filtrer la lumière, permettant aux ondes les plus propres et les plus uniformes de passer vers le détecteur. Ce filtrage est essentiel car il élimine toute distorsion désordonnée dans l'onde lumineuse qui empêcherait l'annulation complète de la lumière stellaire. Lors de leurs tests initiaux à température ambiante, l'équipe a réussi à créer un « nul », ou un point d'obscurité, suffisamment profond pour répondre aux exigences de la mission LIFE, mais seulement pour une seule couleur de lumière étroite. Ils ont également montré que le système pouvait maintenir cette obscurité pendant une courte période, prouvant que le concept est viable.

Cependant, le chemin vers un télescope spatial opérationnel est pavé de complications qui n'apparaissent que lorsque le système est poussé dans ses retranchements. Les chercheurs ont découvert que leurs câbles à fibres optiques actuels n'étaient pas parfaits pour bloquer les motifs lumineux indésirables. Même si le faisceau principal de lumière passait proprement, une lumière parasite s'échappait par les couches extérieures du câble, créant une lueur de fond ténue qui empêchait l'annulation complète de la lumière stellaire. Cette fuite était si subtile qu'elle n'est devenue visible que lorsqu'ils ont tenté d'atteindre les niveaux d'obscurité les plus profonds. L'équipe a testé plusieurs types différents de matériaux et de revêtements de fibres pour stopper cette fuite, y compris du verre exotique et des revêtements de métaux liquides spéciaux, mais aucune de ces tentatives n'a pleinement résolu le problème. Ils ont trouvé que, bien que l'amélioration de l'alignement de l'équipement puisse réduire la quantité de lumière parasite entrant dans la fibre, cette approche ne règle pas le problème sous-jacent de la fuite de mode et réduit en réalité les tolérances autorisées pour le système.

Un autre obstacle majeur est la couleur de la lumière elle-même. La mission LIFE doit observer une large gamme de couleurs infrarouges, de quatre à dix-huit micromètres, pour détecter les signatures chimiques de la vie. L'équipe de NICE a constaté que, bien qu'ils puissent annuler une couleur de lumière spécifique, maintenir une annulation parfaite à travers un large spectre est incroyablement difficile. Cela est dû au fait que les différentes couleurs de lumière voyagent à des vitesses légèrement différentes à travers le verre et les autres matériaux de l'instrument, ce qui les fait sortir de synchronisation les unes avec les autres. Les chercheurs ont construit un modèle pour prédire l'erreur que cela causerait et ont découvert que les tolérances de fabrication des composants en verre devraient être incroyablement serrées, avec des erreurs plus petites que la largeur d'un cheveu humain. Ils développent actuellement un dispositif mécanique capable de déplacer une pièce de verre d'avant en arrière d'une quantité infime pour corriger cette erreur de synchronisation, mais ils n'ont pas encore obtenu un nul profond sur une large bande de couleurs.

L'équipe a également étudié comment la polarisation de la lumière, qui décrit la direction dans laquelle les ondes lumineuses vibrent, affecte l'annulation. Puisque les étoiles et les planètes émettent une lumière qui vibre dans toutes les directions, l'instrument doit être capable d'annuler les deux types de vibrations de manière égale. Les chercheurs ont mesuré la polarisation des deux faisceaux et ont constaté que de petites différences dans l'angle des miroirs provoquaient une légère différence de vibration de la lumière dans chaque chemin. Cette différence, bien que minime, était suffisante pour dégrader la qualité de l'annulation. Ils ont identifié un miroir spécifique dans le système de ligne de retard comme étant le principal coupable et ont corrigé son alignement, ce qui a amélioré les résultats. Cependant, ils doivent encore déterminer si les différences restantes sont assez faibles pour répondre aux exigences strictes de la mission ou s'ils devront construire un nouveau mécanisme pour corriger activement la polarisation.

En regardant vers l'avenir, les chercheurs se préparent à déplacer leur expérience d'un environnement à température ambiante vers un environnement cryogénique. Ils ont construit un petit congélateur modulaire appelé l'« Ice Cube » pour tester comment les matériaux et les pièces mécaniques de leur instrument se comportent lorsqu'ils sont refroidis à quinze Kelvin. Cette étape est critique car le froid extrême provoque la contraction des matériaux, ce qui pourrait dérégler l'alignement délicat des miroirs. L'équipe prévoit d'utiliser ce congélateur pour tester différentes façons de monter l'optique et pour vérifier que leurs systèmes de contrôle peuvent toujours fonctionner dans le froid. Une fois qu'ils auront confirmé que les composants peuvent survivre au froid, ils commenceront à concevoir un congélateur beaucoup plus grand qui abritera l'instrument entier. L'objectif ultime est de démontrer qu'un nul profond et stable peut être atteint à ces basses températures, prouvant ainsi que la technologie est prête pour l'environnement spatial.

La feuille de route de l'expérience NICE est claire, bien que le travail à accomplir soit substantiel. L'équipe a déjà prouvé que l'idée de base fonctionne et a identifié les barrières techniques spécifiques qui se dressent sur le chemin d'une mission spatiale à grande échelle. Ils se concentrent désormais sur la résolution des problèmes de lumière parasite, de larges gammes de couleurs et de polarisation, tout en préparant le système pour le froid extrême de l'espace. S'ils réussissent, ils auront fourni la preuve de concept essentielle nécessaire pour lancer la mission LIFE, un projet qui pourrait enfin révéler les secrets des planètes susceptibles d'abriter la vie. Le voyage d'un banc de laboratoire à un télescope spatial est long et semé de défis, mais l'équipe de NICE a montré que la voie est possible, un ajustement précis à la fois.