NAIR-APREXIS: Enabling photonics-based instruments for long-baseline interferometry and integral-field spectroscopy

Gli astronomi cercano da tempo di vedere l'universo con occhi più nitidi, spingendo i limiti di ciò che i loro telescopi possono risolvere. Per farlo, spesso combinano la luce proveniente da più telescopi, una tecnica chiamata interferometria, che agisce come un singolo, gigantesco specchio. Tuttavia, il modo tradizionale di farlo si basa su ingombranti lenti e specchi di vetro che sono pesanti, difficili da allineare perfettamente e soggetti a perdere luce lungo il percorso. Negli ultimi anni, è emersa un nuovo approccio che tratta la luce non come un fascio che rimbalza su grandi superfici, ma come un segnale che viaggia attraverso minuscoli, microscopici canali scavati direttamente nel vetro. Questo campo, noto come astrofotonica, promette di rimpicciolire strumenti complessi alle dimensioni di un chip, offrendo maggiore stabilità e precisione. La sfida è stata dimostrare che queste delicate, microscopiche strutture possano sopravvivere alle dure condizioni di un vero osservatorio e performare al pari dei loro massicci, tradizionali controparti.

Un team di ricercatori che lavora sul progetto NAIR-APREXIS ha ora fornito prove convincenti che questo approccio microscopico è pronto per il grande debutto. Hanno costruito e testato con successo diversi nuovi tipi di strumenti utilizzando una tecnica chiamata inscrizione laser ultrafast, in cui un potente laser scrive minuscole vie di guida della luce direttamente all'interno di blocchi di vetro. Il loro lavoro dimostra che questi chip di vetro possono non solo combinare la luce di stelle lontane con estrema precisione, ma anche riorganizzare la luce di un telescopio per creare mappe dettagliate di pianeti e stelle. Il team ha già testato i loro dispositivi su veri telescopi in California e si sta preparando a testare un nuovo sistema in Cile nel 2027. Questi test dimostrano che questi piccoli strumenti possono catturare la debole luce stellare con alta efficienza e rimanere stabili per lunghi periodi, aprendo la strada a una nuova generazione di strumenti astronomici compatti e ad alte prestazioni.

Il primo grande successo del progetto ha riguardato un dispositivo progettato per combinare la luce di due telescopi per misurare la luminosità e la forma delle stelle. I ricercatori hanno costruito questo strumento utilizzando un tipo speciale di vetro chiamato Infrasil, che è trasparente alla luce infrarossa utilizzata per studiare oggetti freddi nello spazio. Hanno usato la loro tecnica laser per scavare una rete di canali microscopici all'interno del vetro che divide e ricombina la luce stellare. Quando hanno testato questo dispositivo presso la CHARA Array, una collezione di sei telescopi in California, i risultati sono stati impressionanti. Lo strumento si è dimostrato straordinariamente stabile, mantenendo le sue prestazioni per ore di osservazione. È stato in grado di misurare i pattern di interferenza delle stelle con una precisione dell'uno percento, un livello di accuratezza richiesto per una seria scoperta scientifica. Ancora più importante, il dispositivo era efficiente, permettendo a più del quaranta percento della luce stellare di passare al rilevatore, e poteva rilevare stelle deboli fino alla magnitudo cinque senza bisogno di attrezzature extra per stabilizzare la luce. Questo successo ha dimostrato che un piccolo, solido blocco di vetro può sostituire sistemi ottici complessi e ingombranti offrendo al contempo una stabilità superiore.

Oltre a combinare semplicemente la luce, il team sta anche sviluppando strumenti per trasformare l'immagine sfocata di una stella o di un pianeta in una mappa dettagliata di luce e colore, una capacità nota come spettroscopia a campo integrale. Per raggiungere questo obiettivo, stanno creando un nuovo tipo di cavo a fibra ottica che contiene oltre cento minuscoli nuclei, ognuno dei quali agisce come un pixel separato per catturare la luce da una diversa parte del cielo. Un ostacolo principale in tali design è impedire che la luce di un nucleo passi al vicino, il che sfocherebbe l'immagine. Utilizzando un design eterogeneo in cui i nuclei sono di dimensioni leggermente diverse, i ricercatori sono riusciti a sopprimere questa perdita a un livello in cui meno di una parte su mille della luce attraversa l'altro. Stanno attualmente costruendo un sistema completo che include un dispositivo scritto al laser per riorganizzare questi nuclei in una linea, alimentando uno spettrografo. Questo sistema è programmato per essere testato su un telescopio in Cile nel 2027, con l'obiettivo di aiutare gli astronomi a rilevare e studiare i pianeti che orbitano attorno ad altre stelle.

Il progetto ha esplorato anche come rendere gli strumenti stessi ancora più piccoli e integrati. I ricercatori hanno stampato minuscoli componenti ottici tridimensionali direttamente sulle punte di cavi a fibra ottica utilizzando un processo chiamato polimerizzazione a due fotoni. Questi componenti agiscono come spettrografi in miniatura, dividendo la luce nei suoi colori per analizzare la composizione chimica degli oggetti celesti. Ogni dispositivo è grande meno di un millimetro, eppure riesce a espandere, collimare e disperdere la luce tutto all'interno di un unico pezzo solido di materiale. Nei test di laboratorio, questi minuscoli spettrografi hanno raggiunto una potenza di risoluzione di circa trenta, il che significa che potevano distinguere tra colori vicini, e hanno trasmesso più dell'ottanta percento della luce. Questo livello di integrazione suggerisce che i futuri strumenti potrebbero essere incredibilmente leggeri e non richiedere allineamento, poiché le parti ottiche sono permanentemente fuse insieme.

Un altro sviluppo innovativo riguarda la creazione di minuscoli sensori a forma di piramide utilizzati per misurare la qualità della vista del telescopio. Tradizionalmente, queste piramidi sono fatte di vetro e richiedono una lucidatura costosa e difficile per ottenere bordi perfettamente affilati. Il team ha utilizzato la stampa ottica 3D per creare queste piramidi, che sono larghe solo pochi millimetri. Le loro misurazioni hanno mostrato che queste piramidi stampate hanno una liscezza superficiale e una nitidezza dei bordi che eguagliano o superano persino la qualità delle piramidi di vetro realizzate tradizionalmente. Poiché sono così piccole, introducono anche una forma unica di filtraggio che potrebbe migliorare il modo in cui gli astronomi misurano la turbolenza atmosferica. I test iniziali su un banco di prova di ottica adattiva hanno confermato che questi sensori stampati funzionano come previsto, aprendo la porta a sensori di fronte d'onda più economici e versatili per i futuri telescopi.

Forse la validazione più significativa di questa tecnologia è arrivata da uno studio a lungo termine di un sensore installato presso il Large Binocular Telescope. Questo sensore, che utilizza un anello di minuscole lenti stampate per aiutare a focalizzare la luce in una fibra, è stato operativo nel mondo reale per sei anni. Durante questo tempo, è stato esposto a sbalzi di temperatura, umidità, vibrazioni e al costante movimento del telescopio. Nonostante queste dure condizioni, il sensore ha continuato a funzionare perfettamente, non mostrando segni di degradazione o deriva nelle sue prestazioni. Questo record di sei anni dimostra che questi componenti ottici stampati in 3D sono abbastanza robusti da sopravvivere all'ambiente impegnativo di un osservatorio per il lungo periodo. Conferma che la tecnologia non è solo una curiosità di laboratorio, ma una soluzione vitale per il futuro della strumentazione astronomica, offrendo una via verso strumenti più piccoli, più stabili e capaci di rivelare l'universo con una chiarezza senza precedenti.