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

天文学者たちは、長年にわたり、望遠鏡の解像度の限界を押し広げ、より鮮明な目で宇宙を見ようと努めてきました。これを行うために、彼らはしばしば複数の望遠鏡からの光を組み合わせる手法を用います。これは「干渉法」と呼ばれ、一つの巨大な鏡のように機能します。しかし、従来の方法は、重くて扱いが難しく、完璧に整列させるのが困難で、途中で光を失いやすい、かささが増したガラスレンズや鏡に依存しています。近年、光を大きな表面で反射させるビームとしてではなく、ガラスの中に直接刻まれた微細なマイクロチャネルを伝わる信号として扱う新しいアプローチが登場しました。「アストロフォトニクス（天体フォトニクス）」として知られるこの分野は、複雑な計器をチップサイズまで小型化することを約束し、より高い安定性と精度を提供します。課題は、これらの繊細な微細構造が、実際の天文台の過酷な条件下で生き残り、巨大で伝統的な装置と同等の性能を発揮できることを証明することでした。

NAIR-APREXISプロジェクトに取り組む研究チームは、この微細なアプローチが実用段階にあるという説得力のある証拠を提示しました。彼らは、強力なレーザーを用いてガラスブロックの内部に直接、光を導く微細な経路を書き込む「超高速レーザー刻印」という技術を用いて、数種類の新しい計器の製作とテストに成功しました。彼らの研究は、これらのガラスチップが、極めて高い精度で遠方の星からの光を組み合わせるだけでなく、望遠鏡からの光を再構成して惑星や恒星の詳細な地図を作成できることを証明しています。チームはすでにカリフォルニアの実際の望遠鏡でこれらのデバイスのテストを完了しており、2027年にはチリで新しいシステムのテストを行う準備を進めています。これらのテストは、これらの小さなツールが非常に高い効率でかすかな星光を捉え、長期間にわたって安定性を維持できることを示しており、コンパクトで高性能な次世代の天文学的計器への道を開いています。

プロジェクトの最初の大きな成功は、二つの望遠鏡からの光を組み合わせ、星の明るさと形状を測定するために設計されたデバイスによるものでした。研究者たちは、宇宙の低温の天体を研究するために使用される赤外線に対して透明な「インフラシル」と呼ばれる特殊なガラスを用いて、この計器を製作しました。彼らはレーザー技術を用いて、ガラスの内部に星光を分割・再結合する微細なチャネルのネットワークを刻み込みました。カリフォルニアにある6基の望遠鏡の集合体であるCHARAアレイでこのデバイスをテストしたところ、その結果は目覚ましいものでした。この計器は驚くほど安定しており、数時間にわたる観測においても性能を維持しました。また、真剣な科学的発見に求められるレベルである1パーセントの精度で星の干渉パターンを測定することができました。さらに重要なことに、このデバイスは効率的であり、40パーセント以上の星光を検出器へと通過させることができ、光を安定させるための追加機器を必要とせずに、等級5というかすかな星まで検出することができました。この成功は、小さな固体のガラスブロックが、複雑でかさ高い光学システムに代わり、優れた安定性を提供できることを示しました。

単に光を組み合わせるだけでなく、チームは星や惑星のぼやけた画像を、光と色の詳細な地図へと変えるツール、すなわち「積分視野分光（インテグラル・フィールド・スペクトロスコピー）」と呼ばれる機能の開発も進めています。これを実現するために、彼らは100以上の微細なコアを含む新しい種類の光ファイバーケーブルを作成しています。各コアは、空の異なる部分から光を捉える個別のピクセルとして機能します。このような設計における大きな障害は、一つのコアからの光が隣のコアへと漏れ出し、画像がぼやけてしまうことです。コアのサイズをわずかに変える「ヘテロジニアス（不均一）」な設計を用いることで、研究者たちはこの漏れを、光が横切る割合が1000分の1未満というレベルまで抑制することに成功しました。彼らは現在、これらのコアを並べて分光器に送り込むための、レーザーで書き込まれたデバイスを含む完全なシステムを構築しています。このシステムは2023年にチリの望遠鏡でテストされる予定であり、天文学者が他の恒星を周回する惑星を検出・研究するのを支援することを目指しています。

プロジェクトはまた、計器自体をさらに小型化し、集約する方法についても探求しました。研究者たちは、「二光子重合」と呼ばれるプロセスを用いて、光ファイバーケーブルの先端に直接、微細な三次元光学コンポーネントをプリントしました。これらのコンポーネントは、天体の化学組成を分析するために光を色ごとに分ける、ミニチュアの分光器として機能します。各デバイスはサイズが1ミリメートル未満ですが、単一の固形材料の中で、光を広げ、平行化し、分散させることを実現しています。実験室でのテストにおいて、これらの微小分光器は約30の分解能（隣接する色の違いを識別できる能力）を達成し、80パーセント以上の光を透過させました。このレベルの集約性は、将来の計器が極めて軽量になり、光学部品が永久に融合されているため、調整（アライメント）を必要としなくなることを示唆しています。

もう一つの革新的な開発は、望遠鏡の視界の質を測定するために使用される、小さなピラミッド型のセンサーの作成です。従来、これらのピラミッドはガラスで作られ、鋭いエッジを実現するために高価で困難な研磨作業を必要としてきました。チームは、3D光学プリント技術を用いて、幅数ミリメートルのこれらのピラミッドを作成しました。彼らの測定によれば、これらのプリントされたピラミッドは、伝統的な手法で作られたガラス製ピラミッドと同等、あるいはそれを上回る表面の滑らかさとエッジの鋭さを備えています。非常に小さいため、これらは大気の揺らぎの測定方法を改善できる独自のフィルタリング機能も備えています。適応光学のテストベッドにおける初期テストでは、これらのプリントされたセンサーが予測通りに機能することが確認され、将来の望遠鏡に向けた、より安価で汎用性の高い波面センサーへの扉を開きました。

この技術の最も重要な検証となったのは、ラージ・バイノキュラー・テレスコープ（LBT）に設置されたセンサーに関する長期的な研究でした。このセンサーは、光をファイバーに集束させるための小さなプリントレンズのリングを使用しており、6年間にわたって実環境下で使用されてきました。この間、センサーは温度変化、湿度、振動、そして望遠鏡の絶え間ない動きにさらされてきました。それにもかかわらず、センサーは完璧に機能し続け、性能の劣化やドリフト（変動）の兆候は見られませんでした。この6年間の記録は、これらの3Dプリント光学コンポーネントが、観測所の過酷な環境において長期的に生存できるほど堅牢であることを証明しています。これは、この技術が単なる実験室の好奇心の対象ではなく、将来の天文学的計器のための実行可能な解決策であることを裏付けており、より小さく、より安定し、かつ前例のない明晰さで宇宙を明らかにできる計器への道を示しています。