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

Per trovare un mondo simile al nostro, gli astronomi devono cercare un debole bagliore nascosto nel riverbero accecante di una stella lontana. Questa è la sfida fondamentale nella ricerca degli esopianeti: la stella è milioni di volte più luminosa del pianeta che ospita, rendendo il pianeta quasi impossibile da vedere direttamente. Uno dei modi più promettenti per risolvere questo problema è una tecnica chiamata interferometria di nulling. Immaginate due telescopi che lavorano insieme come un unico strumento, raccogliendo la luce di una stella e combinandola in modo tale da far sì che le onde della luce stellare si cancellino a vicenda, come due increspature in uno stagno che si incontrano e appiattiscono l'acqua. Se la cancellazione è perfetta, la stella scompare, lasciando visibile solo la debole luce di eventuali pianeti in orbita. Tuttavia, ottenere questa cancellazione perfetta richiede una precisione estrema, specialmente quando si osserva la parte del medio infrarosso dello spettro, dove il calore dei pianeti stessi brilla con più intensità. Per raggiungere la sensibilità necessaria, l'intero strumento deve essere raffreddato a temperature vicine allo zero assoluto, una condizione che introduce nuove sfide fisiche poiché i materiali si restringono e si spostano.

Presso l'Istituto Federale Svizzero di Tecnologia di Zurigo, un team di ricercatori sta costruendo un banco di prova di laboratorio chiamato Nulling Interferometry Cryogenic Experiment, o NICE, per dimostrare che questa difficile tecnologia può funzionare. Il loro obiettivo è prepararsi alla missione LIFE, un futuro osservatorio spaziale progettato per dare la caccia a mondi abitabili. Nel loro ultimo rapporto, il team descrive come sia riuscito a dimostrare la capacità di cancellare la luce stellare fino a un livello di una parte su centomila, ma solo per un singolo colore di luce e un singolo stato di polarizzazione. Questo è un limite cruciale per la missione, ma rimane al di sotto dei requisiti completi di larghezza di banda e indipendenza dalla polarizzazione necessari per lo strumento spaziale finale. Ci sono riusciti utilizzando una configurazione che imita lo strumento spaziale finale, ma lo hanno fatto prima a temperatura ambiente per garantire che il concetto di base funzioni prima di tentare il compito molto più difficile di raffreddare l'intero sistema a quindici Kelvin, che corrispondono a circa meno 258 gradi Celsius. I ricercatori hanno scoperto che, sebbene potessero raggiungere l'oscurità richiesta per un singolo colore di luce, estendere questa prestazione attraverso una vasta gamma di colori e diverse polarizzazioni della luce ha rivelato diversi ostacoli ostinati che devono essere risolti prima che la missione spaziale possa volare.

L'esperimento è costruito attorno a un interferometro a due fasci, un dispositivo che divide un raggio laser in due percorsi e poi li ricombina. Nella configurazione NICE, la luce viaggia attraverso una serie di specchi e lenti, guidata da un sofisticato sistema di controllo che misura costantemente la posizione dei fasci e apporta piccoli aggiustamenti per mantenerli perfettamente allineati. I ricercatori hanno utilizzato un tipo speciale di cavo in fibra ottica per filtrare la luce, permettendo solo alle onde più pulite e uniformi di passare al rilevatore. Questo filtraggio è essenziale perché rimuove qualsiasi distorsione disordinata nell'onda luminosa che impedirebbe alla luce stellare di cancellarsi completamente. Nei loro test iniziali a temperatura ambiente, il team è riuscito a creare un "null", o un punto di oscurità, abbastanza profondo da soddisfare i requisiti per la missione LIFE, ma solo per un singolo, stretto colore di luce. Hanno anche dimostrato che il sistema poteva mantenere questa oscurità per un breve periodo, provando che il concetto è percorribile.

Tuttavia, il percorso verso un telescopio spaziale funzionante è disseminato di complicazioni che appaiono solo quando il sistema viene spinto ai suoi limiti. I ricercatori hanno scoperto che i loro attuali cavi in fibra ottica non erano perfetti nel bloccare schemi di luce indesiderati. Anche se il fascio principale di luce passava pulitamente, della luce parassita filtrava attraverso gli strati esterni del cavo, creando un debole bagliore di fondo che impediva alla luce stellare di essere cancellata completamente. Questa perdita era così sottile che è diventata visibile solo quando hanno cercato di raggiungere i livelli più profondi di oscurità. Il team ha testato diversi tipi di materiali e rivestimenti per la fibra per fermare questa perdita, inclusi vetri esotici e speciali rivestimenti in metallo liquido, ma nessuno di questi tentativi ha risolto completamente il problema. Hanno scoperto che, sebbene migliorare l'allineamento dell'attrezzatura potesse ridurre la quantità di luce parassita che entra nella fibra, questo approccio non risolve il problema fondamentale della perdita di modo e, anzi, riduce le tolleranze consentite per il sistema.

Un altro grande ostacolo è il colore della luce stessa. La missione LIFE deve osservare una vasta gamma di colori infrarossi, da quattro a diciotto micrometri, per rilevare le firme chimiche della vita. Il team di NICE ha scoperto che, sebbene potessero cancellare un colore specifico di luce, mantenere la cancellazione perfetta attraverso uno spettro ampio è incredibilmente difficile. Questo accade perché i diversi colori della luce viaggiano a velocità leggermente diverse attraverso il vetro e gli altri materiali nello strumento, causando il loro sfasamento l'uno rispetto all'altro. I ricercatori hanno costruito un modello per prevedere quanto errore ciò causerebbe e hanno scoperto che le tolleranze di produzione per i componenti in vetro dovrebbero essere incredibilmente strette, con errori inferiori alla larghezza di un capello umano. Stanno attualmente sviluppando un dispositivo meccanico in grado di spostare un pezzo di vetro avanti e indietro di una quantità infinitesimale per correggere questo errore di temporizzazione, ma non hanno ancora ottenuto un null profondo su una banda di colori ampia.

Il team ha anche indagato su come la polarizzazione della luce, che descrive la direzione in cui le onde luminose vibrano, influenzi la cancellazione. Poiché le stelle e i pianeti emettono luce che vibra in tutte le direzioni, lo strumento deve essere in grado di cancellare entrambi i tipi di vibrazione altrettanto bene. I ricercatori hanno misurato la polarizzazione dei due fasci e hanno scoperto che piccole differenze nell'angolo degli specchi causavano una vibrazione leggermente diversa in ciascun percorso. Questa differenza, sebbene piccola, è stata sufficiente a degradare la qualità della cancellazione. Hanno identificato uno specchio specifico nel sistema di linea di ritardo come il principale colpevole e ne hanno corretto l'allineamento, migliorando i risultati. Tuttavia, devono ancora determinare se le differenze rimanenti siano abbastanza piccole da soddisfare i rigorosi requisiti della missione o se dovranno costruire un nuovo meccanismo per correggere attivamente la polarizzazione.

Guardando al futuro, i ricercatori si stanno preparando a spostare il loro esperimento da un ambiente a temperatura ambiente a un ambiente criogenico. Hanno costruito un piccolo congelatore modulare chiamato "Ice Cube" per testare come i materiali e le parti meccaniche del loro strumento si comportano mentre si raffreddano fino a quindici Kelvin. Questo passaggio è critico perché il freddo estremo causa la contrazione dei materiali, il che potrebbe sballare il delicato allineamento degli specchi. Il team prevede di utilizzare questo congelatore per testare diversi modi di montare l'ottica e per verificare che i loro sistemi di controllo possano ancora funzionare al freddo. Una volta confermato che i componenti possono sopravvivere al freddo, inizieranno a progettare un congelatore molto più grande che ospiterà l'intero strumento. L'obiettivo finale è dimostrare che un null profondo e stabile possa essere raggiunto a queste basse temperature, provando che la tecnologia è pronta per l'ambiente spaziale.

La tabella di marcia per l'esperimento NICE è chiara, sebbene il lavoro che resta sia considerevole. Il team ha già dimostrato che l'idea di base funziona e ha identificato le specifiche barriere tecniche che si frappongono tra loro e una missione spaziale su larga scala. Sono ora concentrati sul risolvere i problemi della luce parassita, delle ampie gamme di colori e della polarizzazione, il tutto mentre preparano il sistema per il freddo estremo dello spazio. Se avranno successo, avranno fornito la prova di concetto essenziale necessaria per lanciare la missione LIFE, un progetto che potrebbe finalmente rivelare i segreti dei pianeti che potrebbero ospitare la vita. Il viaggio da un banco di laboratorio a un telescopio spaziale è lungo e pieno di sfide, ma il team di NICE ha dimostrato che la strada da seguire è percorribile, un preciso aggiustamento alla volta.