Demonstration of simultaneous PIAA- coronagraphy and wavefront sensing using a single metasurface-based focal-plane optic

Per vedere un pianeta che orbita attorno a una stella lontana, gli astronomi devono risolvere un problema di luminosità travolgente. La stella è come un faro accecante, mentre il pianeta è una debole lucciola che vola a pochi centimeti di distanza. Anche i telescopi più potenti sulla Terra faticano a separare i due perché l'atmosfera fa tremolare e distorce la luce, e perché l'ottica interna del telescopio stesso introduce piccoli errori invisibili. Per superare questo ostacolo, gli scienziati utilizzano l'ottica adattiva estrema, un sistema che misura le distorsioni migliaia di volte al secondo e rimodella uno specchio per cancellarle. Tuttavia, una sfida persistente rimane: la luce utilizzata per misurare queste distorsioni e la luce utilizzata per scattare la foto del pianeta percorrono percorsi leggermente diversi all'interno dello strumento. Questa differenza crea una foschia luminosa statica e spettrale che può facilmente nascondere un debole pianeta. Per eliminare questa foschia, i ricercatori devono percepire gli errori del fronte d'onda direttamente nel percorso della luce scientifica, ma farlo richiede solitamente apparecchiature separate e ingombranti che aggiungono ulteriori percorsi ottici e ulteriori errori.

Un team di ricercatori ha dimostrato un modo per fondere due funzioni critiche in un singolo componente microscopico. Hanno creato un elemento ottico speciale, una superficie piatta con una trama di strutture minuscole più piccole della larghezza di un capello umano, che funge sia da sensore di fronte d'onda che da bloccatore della luce stellare. Questo dispositivo, noto come metasuperficie, è stato progettato per comportarsi diversamente a seconda del colore della luce che lo attraversa. A una specifica tonalità di luce rossa, agisce come un sensore, misurando le distorsioni nella luce stellare per aiutare il telescopio a correggere la sua visione. A una tonalità di rosso leggermente diversa, agisce come un coronografo, una maschera che sopprime il bagliore della stella per rivelare i deboli compagni nelle vicinanze. Combinando questi ruoli, il team ha dimostrato che è possibile percepire e correggere gli errori del telescopio senza aggiungere percorsi ottici extra, aprendo potenzialmente la strada a immagini più chiare di mondi oltre il nostro sistema solare.

I ricercatori hanno costruito un prototipo di questo dispositivo ibrido utilizzando uno strato di silicio amorfo, un materiale comune nell'elettronica, modellato su un substrato di vetro. Hanno progettato i minuscoli pilastri su questa superficie in modo che spostassero la fase delle onde luminose che passavano attraverso di essi. Il design era ingegnoso: a lunghezze d'onda più corte all'interno dello spettro infrarosso, il dispositivo sposta la luce di una quantità specifica per creare un pattern di interferenza che rivela gli errori del fronte d'onda, funzionando come un sensore di fronte d'onda Zernike. A lunghezze d'onda più lunghe, la stessa superficie sposta la luce di un importo diverso, facendo sì che la luce stellare si annulli attraverso l'interferenza distruttiva, funzionando come un coronografo a maschera complessa. Questa doppia natura permette al telescopio di utilizzare lo stesso punto focale sia per la rilevazione che per l'imaging, eliminando efficacementamente gli errori di "percorso non comune" che solitamente affliggono gli strumenti ad alto contrasto.

Per testare se questo concetto funzionasse nel mondo reale, il team ha fabbricato la metasuperficie e l'ha portata al Telescopio Magellan Clay in Cile. Hanno installato il dispositivo nello strumento MagAO-X, un sistema ad alte prestazioni progettato per l'ottica adattiva estrema. Per prima cosa, hanno testato la capacità del dispositivo di percepire gli errori del fronte d'onda utilizzando una sorgente luminosa interna al telescopio. Hanno introdotto distorsioni note e chiesto al sistema di misurarle. I risultati hanno mostrato che la metasuperficie poteva ricostruire accuratamente gli errori del fronte d'onda, con prestazioni pari a quelle di un sensore ideale teorico. Ciò ha confermato che le strutture microscopiche stavano funzionando esattamente come progettato, fornendo gli spostamenti di fase necessari per rilevare le sottili increspature della luce.

Successivamente, il team ha portato il telescopio nel cielo notturno per testare le prestazioni coronografiche. Hanno puntato lo strumento verso un sistema a tripla stella, usando la stella primaria luminosa come bersaglio da sopprimere. L'obiettivo era vedere quanto bene il dispositivo potesse bloccare la luce della stella per rivelare le deboli stelle compagne nelle vicinanze. Le osservazioni sono state condotte a una lunghezza d'onda di 1600 nanometri, un colore in cui il dispositivo non era perfettamente ottimizzato ma comunque funzionale. I risultati hanno mostrato un contrasto di circa una parte su dieci, il che significa che la luce della stella è stata ridotta di un fattore dieci rispetto a un'immagine standard senza la maschera. Sebbene questo non sia ancora abbastanza profondo per vedere pianeti simili alla Terra, le prestazioni corrispondevano alle simulazioni al computer che utilizzavano le proprietà reali misurate del dispositivo fabbricato. Questo accordo tra le misurazioni di laboratorio, i modelli informatici e le osservazioni del cielo ha dimostrato che l'approccio ibrido funziona.

Lo studio ha anche rivelato dove la tecnologia può migliorare. Il team ha scoperto che la dimensione della maschera sul chip era leggermente più grande dell'ottimo teorico per la specifica configurazione ottica del telescopio. Le simulazioni hanno indicato che se avessero reso la maschera leggermente più piccola, il contrasto sarebbe potuto migliorare di quasi due ordini di grandezza, raggiungendo livelli molto più vicini a quelli necessari per l'imaging diretto degli esopianeti. Inoltre, il dispositivo è stato testato a una lunghezza d'onda in cui le sue prestazioni non erano al loro picco; il design era destinato a funzionare meglio a colori leggermente diversi. I ricercatori hanno notato che le iterazioni future si concentreranno sull'ottimizzazione congiunta della dimensione della maschera e delle specifiche lunghezze d'onda che essa mira, per massimizzare sia la capacità di rilevamento che quella di soppressione della luce stellare.

Questo lavoro rappresenta un passo significativo verso la semplificazione dei complessi strumenti necessari per trovare altri mondi. Dimostrando che un singolo elemento ottico piatto può svolgere simultaneamente due compiti distinti e di alta precisione, i ricercatori hanno mostrato una via per ridurre il numero di componenti ottici in un telescopio. Meno componenti significano meno punti in cui la luce può andare errata, il che è essenziale per la prossima generazione di telescopi che tenteranno di fotografare pianeti di dimensioni terrestri attorno a stelle vicine. Il successo del test sul cielo dimostra che il concetto è praticabile, passando da un'idea teorica a una realtà operativa che può essere raffinata e migliorata per le missioni future.