Comparing the contrast performance of two IFU technologies for exoplanet direct imaging with ELT-PCS

Immagina di cercare di scattare una fotografia a una minuscola lucciola luminosa appollaiata sul bordo di un enorme riflettore accecante. La lucciola è il tuo esopianeta, e il riflettore è la sua stella ospite. Nel mondo dell'astronomia, questa è la sfida definitiva: l'imaging diretto. La stella è così travolgentemente luminosa da oscurare la debole luce del pianeta, rendendo il pianeta invisibile alle normali fotocamere. Per risolvere questo problema, gli astronomi usano dei particolari "occhiali da sole" chiamati coronagrafi per bloccare l'abbagliamento della stella, e "occhiali" super nitidi chiamati ottica adattiva per correggere l'effetto di sfocatura causato dall'atmosfera terrestre. Ma anche con questi strumenti, il pianeta continua a nascondersi nell'ombra. Per vederlo, serve una fotocamera capace di scomporre la luce in un arcobaleno (spettroscopia) per analizzare l'atmosfera del pianeta, ma farlo senza perdere il delicato contrasto necessario per individuare il pianeta è come cercare di catturare un sussurro in un uragano.

È qui che entra in gioco la storia dello strumento ELT-PCS. Il Planetary Camera and Spectrograph (ELT-PCS) è una futura super-fotocamera progettata per l'Extremely Large Telescope (ELT) da 39 metri. La sua missione è trovare mondi rocciosi attorno a stelle vicine. Per farlo, deve raggiungere un contrasto di 10⁻⁹ (vedere qualcosa un miliardo di volte più debole della stella) a determinate distanze. La grande domanda che gli scienziati si sono posti era: qual è la migliore "lente" per alimentare questa fotocamera? Avevano due contendenti principali: gli Image Slicer (che tagliano l'immagine in strisce e la riorganizzano come un puzzle) e i Lenslet Arrays (che utilizzano una griglia di minuscole lenti per scomporre l'immagine in molti piccoli punti). Scegliere la lente sbagliata potrebbe fare la differenza tra la scoperta di un nuovo mondo e il vedere solo rumore statico.

I ricercatori dell'Università di Oxford hanno costruito un ingegnoso banco di prova modulare per risolvere questo dibattito. Pensatelo come a una "galleria del vento" per la luce. Invece di aspettare un vero telescopio, hanno creato una simulazione sul loro banco ottico. Hanno utilizzato un dispositivo speciale chiamato Modulatore Spaziale di Luce (SLM) per simulare l'atmosfera disordinata e oscillante e un coronografo di Lyot per bloccare la luce della "stella", alimentando un'immagine perfetta, limitata dalla diffrazione, nei loro due sistemi di fotocamera concorrenti. Hanno poi misurato quanto bene ciascun sistema potesse vedere un debole "pianeta" accanto alla "stella" bloccata.

Ecco cosa hanno scoperto. Nei dati grezzi, senza trucchi informatici sofisticati, il Lenslet Array è stato il campione a distanze molto ravvicinate dalla stella (meno di 6 volte la larghezza del pattern di diffrazione della stella, o 6λ/D). È riuscito a scavare più a fondo nell'oscurità rispetto all'Image Slicer in questa zona specifica. Tuttavia, l'Image Slicer aveva un'arma segreta: poteva essere abbinato a una tecnica chiamata "deconvoluzione spettrale". Questa è come un trucco di post-elaborazione in cui il computer sfrutta il fatto che la luce del pianeta si sposta leggermente diversamente rispetto al rumore della stella attraverso i colori. Quando hanno applicato questo trucco, l'Image Slicer è decollato. Ha ottenuto un vantaggio enorme, specialmente a piccole separazioni. A una distanza di 4λ/D, l'Image Slicer con deconvoluzione spettrale era 3,4 volte migliore nel trovare il pianeta rispetto al Lenslet Array. Infatti, con questa elaborazione, le prestazioni dell'Image Slicer sono diventate così buone da raggiungere il "pavimento del rumore" (noise floor): il punto in cui l'unica cosa che impedisce di vedere oggetti ancora più deboli è il rumore elettronico della fotocamera stessa.

Il documento sottolinea con cura che questi sono risultati iniziali derivanti da un esperimento di laboratorio. I test sul Lenslet Array sono stati eseguiti senza il coronografo completo e la simulazione atmosferica che l'Image Slicer aveva, quindi una gara testa a testa perfettamente equa sotto condizioni estreme identiche è ancora nella lista delle cose da fare. Gli autori suggeriscono che, sebbene il Lenslet Array sia ottimo per viste ampie, l'Image Slicer, combinato con una gestione intelligente tramite computer, potrebbe essere la scelta superiore per il compito più difficile dell'ELT-PCS: individuare piccoli pianeti rocciosi proprio accanto alle loro stelle accecanti. Il team ha in programma di portare questo banco di prova all'Osservatorio Europeo Australe per testarlo dietro un vero sistema di ottica adattiva a due stadi per confermare questi risultati.