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

Sintesi Tecnica: Risoluzione Temporale del Singolo Fotone On-Sky di 35 ps con Sincronizzazione White Rabbit

Definizione del Problema
Il progetto IC4Stars (Intensity Correlation for Stars) mira a misurare il diametro angolare della nana bianca Sirio B tramite interferometria di intensità. Le previsioni teoriche suggeriscono che Sirio B abbia un raggio delle dimensioni della Terra e una massa solare, risultando in un diametro angolare di circa 30 micro-arcosecondi (µas). Risolvere questo oggetto nel range spettrale del blu richiede un separamento dei telescopi di circa un chilometro. Raggiungere un rapporto segnale-rumore (SNR) di ~10 in alcune notti con telescopi di classe 8 metri richiede il superamento di significative sfide tecniche, specificamente:

• Raggiungere la rilevazione del singolo fotone con una risoluzione temporale nell'ordine delle decine di picosecondi.
• Sincronizzare due strumenti separati da ~1 km con una precisione superiore alla risoluzione temporale del detector.
• Gestire i dati grezzi dei time-tag per il monitoraggio online e l'analisi.
• Sviluppare algoritmi efficienti per calcolare la funzione di correlazione del secondo ordine, $g^{(2)}$, in tempo reale e post-analisi.

Metodologia
Gli autori presentano un prototipo di strumento e una serie di test di caratterizzazione che portano a una campagna di osservazione on-sky condotta nel marzo 2026 presso il telescopio Epsilon da 1 metro (C2PU, Observatoire de la Côte d'Azur).

• Caratterizzazione del Detector: Il sistema utilizza detector a singolo fotone PhotonPix (Photonscore) dotati di fotocatodo e Microchannel Plate (MCP). Test di laboratorio hanno caratterizzato il jitter del detector in funzione della tensione di Bias e del diametro del fascio. Il team ha identificato un effetto di "saturazione locale" dove la focalizzazione di un flusso di fotoni in un diametro piccolo (< 1 mm) degrada le prestazioni del jitter e riduce i tassi di conteggio. Per mitigare questo effetto, l'apparato sperimentale ha impiegato un diametro del fascio di 6 mm per garantire un'illuminazione uniforme dell'area sensibile.
• Sincronizzazione e DAQ: Il sistema di acquisizione dati (DAQ) consiste in due unità Time Tagger Ultra (Swabian Instruments), ciascuna disciplinata da un'unità di sincronizzazione White Rabbit (Safran WR-LEN). Le unità WR sono collegate tramite una fibra ottica telecom 30 metri, fornendo un segnale di clock a 10 MHz e un segnale 1 PPS comune. Un generatore di impulsi ha fornito segnali di riferimento per caratterizzare il jitter intrinseco del sistema in laboratorio.
• Configurazione On-Sky: Il modulo ottico, montato sul fuoco Cassegrain del telescopio, includeva una lente divergente (fascio da 6 mm), uno specchio dicroico, un filtro passa-banda a 417 nm (larghezza di banda di 1 nm) e un beam splitter 50:50 che indirizza la luce ai due detector. Le stazioni DAQ erano montate direttamente sulla parte posteriore del telescopio per minimizzare le lunghezze dei cavi.
• Strategia di Osservazione: La campagna ha osservato stelle brillanti e non risolte (Regolo e Vega) per misurare il picco di bunching temporale a baseline zero. L'acquisizione dei dati è consistita nella registrazione dei time-tag grezzi da entrambi i TDC, che sono stati poi elaborati per calcolare la funzione di correlazione del secondo ordine.

Risultati Chiave

• Caratterizzazione di Laboratorio:

  • Il jitter del detector è diminuito all'aumentare della tensione di bias; il sistema operava alla massima tensione.
  • Il jitter è aumentato significativamente quando il diametro del fascio è stato ridotto sotto i 3 mm a causa della saturazione locale.
  • Il Time Tagger Ultra ha dimostrato un jitter intrinseco di $\sigma_{TDC} \approx 11.0$ ps.
  • Le unità di sincronizzazione White Rabbit hanno dimostrato un jitter di sincronizzazione di $\sigma_{WR} \approx 8.8$ ps.
  • L'intero sistema DAQ di laboratorio (due TDC + due WR + 30 m di fibra) ha raggiunto un jitter totale di $\sigma_{DAQ}^{(lab)} = 18.9$ ps RMS.

• Prestazioni On-Sky:

  • Jitter del DAQ: Le misurazioni sul campo del sistema DAQ (utilizzando il riferimento del generatore di impulsi) hanno prodotto un jitter di $\sigma_{DAQ}^{(field)} = 18.0$ ps RMS, coerente con i benchmark di laboratorio.
  • Risoluzione Temporale Totale: L'analisi della funzione di correlazione del secondo ordine temporale, $g^{(2)}(t) - 1$, ha prodotto una risoluzione temporale totale del sistema di $\sigma_{Tot}^{(field)} = (34.7 \pm 4.4)$ ps RMS. Questo valore è coerente con la somma teorica dei contributi del DAQ e del detector ($\sigma_{Tot}^{(lab)} = 31.7$ ps).
  • Tempo di Coerenza e SNR: Il tempo di coerenza misurato è stato di $(0.426 \pm 0.051)$ ps, coerente con lo 0.492 ps atteso derivato dai dati di trasmissione del filtro. L'SNR osservato è stato di 8.19, corrispondente all'atteso di 8.28.
  • Discrepanza del Tasso di Conteggio: Il tasso di conteggio osservato è stato circa il 40% inferiore alle previsioni teoriche basate sulla luminosità stellare, l'estinzione atmosferica e l'efficienza del detector. Gli autori segnalano che questo deficit è oggetto di indagine.

Significatività e Rivendicazioni
Il documento rivendica un traguardo significativo nello sviluppo dell'interferometria di intensità per la misurazione del diametro stellare. Il principale risultato è la dimostrazione di una risoluzione temporale on-sky di circa 35 ps, che rappresenta un miglioramento di un fattore 10 rispetto alle configurazioni precedenti. Gli autori affermano che:

1. Il sistema ha sincronizzato con successo due TDC indipendenti su un collegamento a fibra di 30 metri utilizzando il protocollo White Rabbit con una precisione di 18.0 ps RMS.
2. La risoluzione temporale totale del sistema (detector + elettronica + sincronizzazione) è coerente con le caratterizzazioni di laboratorio, validando la scalabilità dell'approccio.
3. La misurazione riuscita del picco di bunching con un SNR coerente con le previsioni conferma la validità del sistema di acquisizione dati e degli algoritmi di correlazione per future campagne su scala più ampia.

Gli autori concludono che questo livello di risoluzione implica che le future baseline dei telescopi dovranno essere conosciute con precisione millimetrica per sfruttare appieno le capacità del sistema. Pianificano di distribuire il sistema su due telescopi separati per eseguire l'interferometria di intensità spaziale, un passo necessario verso l'obiettivo finale di misurare il diametro di Sirio B.