Asgard/NOTT: Status of laboratory nulling performance
Questo articolo presenta la prima valutazione delle prestazioni in ambiente naturale del banco di prova dello strumento di nulling Asgard/NOTT con luce dispersa spettralmente, rivelando una degradazione del contrasto a circa 10⁻¹ rispetto ai risultati precedenti e delineando le revisioni necessarie alla pipeline e i futuri aggiustamenti sperimentali per raggiungere il contrasto target di 10⁻⁵.
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Nel cuore profondo dell'astronomia risiede una sfida persistente: vedere i deboli e fioca compagni delle stelle. Giovani pianeti giganti e vorticosi banchi di polvere si nascondono spesso nel bagliore delle loro stelle madri, proprio come cercare di scorgere una lucciola accanto a un riflettore. Per risolvere questo problema, gli astronomi utilizzano una tecnica chiamata interferometria di nulling. Invece di cercare di bloccare la luce della stella con uno scudo fisico, combinano la luce proveniente da più telescopi in un modo che faccia sì che le onde della luce stellare si cancellino a vicenda. Immaginate due onde d'acqua che si incontrano; se una viene spinta verso l'alto mentre l'altra viene spinta verso il basso esattamente nello stesso momento, esse si appiattiscono in una superficie calma. Creando questa zona "oscura" per la stella, lo strumento può rivelare la luce molto più tenue proveniente da pianeti vicini o anelli di polvere che altrimenti andrebbe persa nel bagliore. Questo metodo è crucialo per trovare mondi vicino alla "linea della neve" — una regione attorno a una stella dove fa abbastanza freddo da permettere la formazione del ghiaccio, una posizione chiave per comprendere come nascono i pianeti.
Un team di ricercatori ha lavorato su un nuovo strumento chiamato Asgard/NOTT, progettato per eseguire questa delicata cancellazione in un intervallo specifico di luce infrarossa noto come banda L'. Questa banda è particolarmente utile perché il contrasto tra una stella e un giovane pianeta è più favorevole qui, e il calore di fondo dell'atmosfera è inferiore rispetto alle lunghezze d'onda maggiori. Lo strumento si affida a un piccolo chip specializzato, realizzato con un materiale simile al vetro chiamato Solfuro di Gallio e Lantanio. All'interno di questo chip, la luce viaggia attraverso canali microscopici che fungono da strade per i fotoni. Quando la luce proveniente da diversi telescopi entra in questi canali, si fonde e interferisce tra di sé. Il chip è progettato per garantire che la luce della stella si cancelli perfettamente, mentre la luce di un pianeta compagno passi attraverso verso il rilevatore. Prima che questo strumento possa essere installato presso il Very Large Telescope Interferometer in Cile, deve essere testato accuratamente su un banco di laboratorio per garantire che funzioni come previsto.
In questo recente lavoro, i ricercatori hanno compiuto un passo significativo testando le prestazioni dello strumento in normali condizioni di temperatura ambiente, ma con un nuovo tocco: hanno utilizzato luce che era stata dispersa nelle sue componenti cromatiche, ovvero dispersa. I test precedenti avevano utilizzato o un mix ampio di colori o erano stati esegtti in condizioni di gelo, ma questo nuovo test mirava a vedere come il chip si comportasse osservando colori specifici di luce pur rimanendo in laboratorio. Il team ha costruito un sofisticato setup di test che imita la luce proveniente dai telescopi, utilizzando specchi e lenti per guidare quattro fasci di luce all'interno del chip fotonico. Hanno calibrato con cura la posizione di questi fasci e li hanno scansionati avanti e indietro per trovare l'esatto punto in cui la luce stellare si cancella. Per dare un senso ai dati, hanno sviluppato una nuova pipeline informatica per pulire le immagini, rimuovendo il rumore di fondo e correggendo l'illuminazione non uniforme sul sensore della telecamera.
I risultati di questo test hanno rivelato un mix di successi e ostacoli inaspettati. I ricercatori hanno confermato che i minuscoli canali all'interno del chip dividono la luce nel modo sperato, con le diverse componenti cromatiche che si comportano in modo coerente attraverso l'intera gamma di lunghezze d'onda target. Questa è stata un'importante verifica del fatto che il chip stesso funzionava correttamente. Tuttavia, quando hanno cercato di misurare quanto bene lo strumento potesse cancellare la luce stellare, le prestazioni non sono state altrettanto buone di quanto visto nei precedenti test più semplici. Invece di raggiungere l'estremo livello di oscurità che miravano, il "null" era circa dieci volte più luminoso del previsto. Il team ha scoperto che ciò non era dovuto a un malfunzionamento del chip, ma al fatto che la luce in entrata nel chip non era perfettamente bilanciata. I canali interni dividevano la luce in modo non uniforme e, poiché i ricercatori avevano precedentmente cercato di alimentare il sistema con quantità uguali di luce, la cancellazione era risultata meno efficace.
Per risolvere questo problema, i ricercatori si sono resi conto di dover cambiare approccio. Nei futuri test, intendono alimentare deliberatamente i diversi canali con quantità di luce leggermente differenti per compensare la divisione non uniforme all'interno del chip. Hanno inoltre identificato che il loro attuale metodo di rimozione del rumore di fondo dalla telecamera non era perfetto, poiché la luce di fondo deriva nel tempo. Intendono installare una ruota modulatrice meccanica (chopper wheel) che possa scambiare rapidamente la luce accesa e spenta, permettendo di sottrarre il rumore di fondo in tempo reale. Con questi aggiustamenti, insieme all'installazione di una telecamera finale più sensibile e di un criostato per raffreddare il sistema, il team si aspetta di testare nuovamente lo strumento e di raggiungere l'alta prestazione di cancellazione necessaria per le reali osservazioni astronomiche. Questo lavoro funge da checkpoint vitale, dimostrando che, sebbene la tecnologia di base sia solida, il percorso per perfezionare lo strumento richiede una calibrazione attenta della luce in entrata nel sistema e una migliore gestione del rumore di fondo.
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