Cryogenic characterisation for the Nulling Interferometry Cryogenic Experiment (NICE)

Nel profondo silenzio del vuoto spaziale, ben oltre il raggio del calore terrestre, gli astronomi sperano di costruire un telescopio capace di vedere la debole luce di mondi simili al nostro. Per trovare questi pianeti distanti, che orbitano attorno alle stelle nella "zona abitabile" dove potrebbe esistere acqua liquida, gli scienziati devono bloccare la luce accecante della stella madre. Progettano di farlo utilizzando una tecnica chiamata interferometria di nulling, che combina la luce proveniente da diversi telescopi in modo tale che la luce brillante della stella si annulli da sola, lasciando visibile solo il debole segnale di un pianeta. Tuttavia, affinché questa delicata cancellazione funzioni, gli strumenti devono essere mantenuti incredibilmente freddi. Se l'attrezzatura è calda, emette la propria luce con il proprio calore infrarosso, sommergendo il debole segnale planetario. La sfida consiste nel costruire una macchina che possa sopravvivere alle temperature gelide dello spazio mantenendo i suoi specchi e i suoi supporti perfettamente immobili, fino alla scala di un singolo atomo.

Un team di ricercatori dell'ETH di Zurigo e del Laboratorio Aerospaziale Francese ha compiuto un passo significativo verso la risoluzione di questo problema con un nuovo allestimento sperimentale chiamato "Ice Cube". Questo dispositivo è un piccolo frigorifero specializzato progettato per testare come i componenti ottici si comportano quando vengono raffreddati a temperature estreme. L'obiettivo finale è preparare la missione LIFE, un futuro osservatorio spaziale che cercherà esopianeti simili alla Terra. Mentre i test precedenti venivano condotti a temperatura ambiente, la nuova missione richiede che gli strumenti operino a temperature così basse come 15 Kelvin, che sono solo 15 gradi sopra lo zero assoluto. I ricercatori avevano bisogno di un modo per raffreddare rapidamente e testare piccole parti del telescopio per garantire che non si deformassero o si spostassero quando esposte a tali condizioni gelide.

L' "Ice Cube" è una camera a vuoto compatta e modulare che ospita un raffreddatore a tubo a impulsi, una macchina che fa circolare gas freddo per raffreddare l'interno senza la vibrazione di parti in movimento. Il suo design è astutamente organizzato in modo che la macchina di raffreddamento si trovi lateralmente, lasciando la parte superiore e i lati della camera completamente aperti. Ciò consente agli scienziati di sostituire facilmente diversi specchi e supporti senza dover smontare l'intero sistema di raffreddamento. All'interno, un recipiente in acciaio inossidabile contiene due strati di schermatura termica, che fungono da barriere per impedire al calore esterno di raggiungere il nucleo interno. Lo scudo interno e il tavolo ottico dove si trovano gli specchi sono raffreddati a circa 10 Kelvin. Il team ha progettato i supporti affinché si flettano delicatamente mentre il metallo si contrae nel freddo, garantendo che gli specchi rimangano piatti e allineati invece di deformarsi sotto lo stress del cambiamento di temperatura.

Per vedere cosa succede agli specchi durante il raffreddamento, il team ha costruito un sofisticato sistema di misurazione utilizzando un laser e una tecnica chiamata PISTIL. Questo metodo funziona dividendo un raggio laser in molte piccole sezioni e ricombinandole per creare un modello di strisce di luce e ombra, note come frange. Se uno specchio si sposta anche solo leggermente, o se la sua superficie si curva, il modello di queste strisce cambia. Analizzando questi cambiamenti, i ricercatori possono misurare minuscoli movimenti nella posizione e nell'angolo dello specchio. Hanno testato questo sistema raffreddando uno specchio di alluminio standard montato su una struttura di alluminio dalla temperatura ambiente fino a 20 Kelvin. L'allestimento era progettato per rilevare deformazioni minime che potrebbero rovinare la capacità del telescopio di cancellare la luce stellare.

I test iniziali hanno rivelato che il sistema funziona, ma hanno anche evidenziato le difficoltà del lavoro in un ambiente così sensibile. Quando lo specchio è stato raffreddato, il sistema di misurazione ha tracciato con successo il suo movimento, mostrando che l'allestimento poteva catturare il moto relativo tra lo specchio e il suo supporto. Tuttavia, i dati erano rumorosi e il processo di raffreddamento era troppo lento perché la tecnica di misurazione potesse tenere il passo perfettamente. I ricercatori hanno osservato che la posizione dello specchio fluttuava selvaggiamente durante il raffreddamento prima di stabilizzarsi una volta raggiunta la temperatura più bassa. Queste fluttuazioni erano causate da un mix di cambiamenti fisici della forma dello specchio dovuti al freddo e disturbi esterni come vibrazioni o correnti d'aria nel laboratorio. Il team ha inoltre notato che gli specchi utilizzati per il test non erano perfettamente lisci, il che rendeva più difficile ottenere una lettura chiara.

Nonostante questi primi ostacoli, l'esperimento ha dimosto che l' "Ice Cube" può fornire un ambiente ultra-freddo e stabile per i test. I ricercatori hanno scoperto che lo scudo interno e il tavolo ottico hanno raggiunto temperature vicine ai loro obiettivi, sebbene fossero leggermente più caldi di quanto previsto, probabilmente a causa di perdite di calore impreviste o limitazioni nella potenza di raffreddamento. Lo studio non ha ancora confermato una soluzione perfetta per il montaggio degli specchi, poiché i test iniziali hanno mostrato che alcuni stili di montaggio potrebbero introdurre troppo movimento. Invece, il lavoro funge da fondamentale prova di concetto. Dimostra che il team può ora sottoporre i componenti a cicli rapidi attraverso le temperature gelide richieste dalla missione LIFE, permettendo di iterare rapidamente sui design.

Guardando al futuro, i ricercatori intendono perfezionare il sistema migliorando la qualità degli specchi di test e velocizzando la raccolta dei dati per catturare i cambiamenti in tempo reale. Intendono anche testare assemblaggi più complessi, come i combinatori di fascio che porteranno insieme la luce da più telescopi. Identificando quali materiali e tecniche di montaggio resistono meglio al freddo, il team mira a finalizzare il design per l'strumento criogenico su larga scala necessario per la missione spaziale. Questo lavoro è un passo cruciale per trasformare il sogno di vedere mondi lontani simili alla Terra in realtà, assicurando che gli strumenti costruiti per il viaggio funzionino impeccabilmente nel gelo profondo dello spazio.