Millimeter and sub-millimeter characterization of polymers used for infrared filters in high-sensitivity cryogenic microwave telescopes

Nel profondo silenzio freddo dello spazio, l'universo sussurra segreti in una luce che i nostri occhi non possono vedere. Questa luce, nota come Fondo Cosmico a Microonde, è il bagliore più antico dell'esistenza, una debole immagine residua del Big Bang stesso. Per ascoltare chiaramente questo sussurro, gli astronomi costruiscono telescopi che non sono solo potenti, ma incredibilmente freddi, raffreddati a temperature vicine allo zero assoluto per impedire al proprio calore di sommergere il segnale cosmico. Tuttavia, questi delicati strumenti devono comunque guardare attraverso una finestra per vedere il cielo. Quella finestra, e i filtri posti davanti ad essa, devono essere fatti di materiali che permettano il passaggio di questa specifica luce bloccando al contempo il calore della Terra e dell'atmosfera. Per decenni, gli scienziati si sono affidati a certe plastiche per queste finestre, assumendo che fossero trasparenti e innocue per i sensori sensibili all'interno. Ma un dubbio persistente rimaneva: questi materiali potrebbero diffondere piccole quantità di luce in direzioni inaspettate, aggiungendo uno strato di rumore che offusca le immagini più nitide della nascita dell'universo?

Un team di ricercatori dell'Università d'Islanda e dell'Università di Stoccolma si è posto l'obiettivo di rispondere a questa domanda sottoponendo questi comuni materiali plastici a un test rigoroso. Si sono concentrati su quattro tipi di polimeri spesso utilizzati in telescopi ad alta sensibilità: il polietilene ad alta densità, utilizzato per lenti e finestre; il politetrafluoroetilene, un materiale talvolta usato per i filtri; il nylon, una scelta comune per bloccare il calore infrarosso; e una schiuma specializzata fatta di polietilene. Gli scienziati volevano sapere non solo quanta luce lasciassero passare questi materiali, ma cosa accadesse alla luce che li colpiva. Nello specifico, cercavano lo "scattering" (diffusione), un fenomeno in cui la luce rimbalza su minuscole imperfezioni o strutture all'interno del materiale e si propaga ad angoli ampi, invece di viaggiare dritta. Anche una minima quantità di questa luce diffusa può essere un problema, poiché potrebbe colpire le parti calde del telescopio e creare un segnale falso che confonde i dati.

Per catturare questa luce diffusa elusiva, i ricercatori hanno costruito una stazione di test unica che funzionava come un radar hi-tech. Hanno utilizzato un dispositivo chiamato analizzatore di rete vettoriale, che invia onde radio nell'intervallo dei millimetri e dei sub-millimetri, le stesse frequenze utilizzate per studiare il cosmo. Invece di un operatore umano che tiene un rilevatore, hanno usato un sofisticato braccio robotico per muovere la testa del ricevitore attorno al campione in un arco preciso, oscillando da un lato all'altro e su e giù. Ciò ha permesso loro di mappare la luce che passava attraverso i fogli di plastica e vedere se parte di essa era stata deviata lateralmente. Hanno testato i materiali a frequenze comprese tra 90 e 330 gigahertz, coprendo la banda critica in cui operano questi telescopi. Hanno anche utilizzato una macchina diversa per testare quanta luce questi materiali assorbissero a frequenze ancora più elevate, fino a 1400 gigahertz, per ottenere un quadro completo del loro comportamento.

I risultati hanno delineato un quadro chiaro di quali materiali siano sicuri e quali potrebbero richiedere un secondo sguardo. I blocchi solidi di polietilene e i fogli di politetrafluoroetilene si sono comportati esattamente come sperato. Hanno lasciato passare la luce con quasi nessuna diffusione, agendo come finestre pulite e invisibili per il telescopio. Tuttavia, i campioni di nylon hanno raccontato una storia diversa. I fogli di nylon sono arrivati con minuscole scanalature parallele sulla superficie, lasciate dal processo di produzione. Queste scanalature, profonde solo circa 10 micrometri, hanno agito come un reticolo di diffrazione, causando una diffusione significativa ai lati. I ricercatori hanno scoperto che questa struttura superficiale era la colpevole, dimostrando che anche le imperfezioni microscopiche possono interrompere il flusso della luce.

La scoperta più sorprendente è arrivata dalle schiume polimeriche, che sono spesso utilizzate come isolamento leggero a più strati nei telescopi. Queste schiume sono riempite di minuscole sacche d'aria, o celle, che sono grandi circa 400 micrometri. Quando la luce ha colpito queste schiume, non è passata attraverso in modo pulito. Invece, la luce ha interagito con le grandi celle interne, causando una diffusione in un pattern ampio e uniforme che ha proiettato una quantità significativa di potenza ad angoli elevati. I ricercatori hanno calcolato che questa luce diffusa potrebbe facilmente colpire le parti calde del telescopio, aggiungendo potenzialmente una quantità misurabile di rumore ai detector. Ciò suggerisce che, sebbene queste schiume siano eccellenti per l'isolamento, la loro struttura interna potrebbe essere troppo grande per le lunghezze d'onda di luce che questi telescopi cercano di catturare, facendole agire più come una lente appannata che come una finestra trasparente.

Lo studio ha anche misurato quanta luce questi materiali assorbissero, un altro modo in cui possono degradare le prestazioni del telescopio. I materiali in nylon sono risultati essere piuttosto dissipativi, assorbendo una quantità significativa del segnale, specialmente alle frequenze più alte. Il polietilene e il politetrafluoroetilene sono rimasti molto trasparenti, assorbendo pochissimo. Combinando i dati sulla diffusione con le misurazioni dell'assorbimento, il team ha fornito una mappa dettagliata di come questi materiali si comportano attraverso lo spettro. Hanno scoperto che le proprietà ottiche delle plastiche solide erano stabili e prevedibili, ma le schiume e il nylon scanalato introducevano variabili che non potevano essere ignorate.

Questo lavoro non dichiara inutili questi materiali, ma evidenzia la necessità critica di una migliore caratterizzazione. I ricercatori sottolineano che per la prossima generazione di telescopi, che mirano a mappare l'universo con una precisione senza precedenti, ogni fonte di rumore deve essere presa in considerazione. La luce diffusa dalla schiuma e dal nylon scanalato rappresenta una fonte di errore nascosta che potrebbe essere ridotta scegliendo materiali diversi o levigando le imperfezioni superficiali. Il team prevede di espandere i propri test per includere materiali più complessi, come filtri a maglia metallica e rivestimenti antiriflesso, per garantire che ogni componente nella catena del telescopio sia il più trasparente e pulito possibile. Comprendendo esattamente come questi materiali interagiscono con la luce, gli scienziati possono costruire strumenti migliori, assicurando che i deboli sussurri dell'universo primordiale siano ascoltati chiaramente, senza lo statico della nostra stessa attrezzatura.