A NICE (Nulling Interferometry Cryogenic Experiment) update: Beyond 1e-5 and towards cryogenic operation

Om een wereld te vinden die op de onze lijkt, moeten astronomen zoeken naar een zwakke gloed die zich verbergt in de verblindende schittering van een verre ster. Dit is de fundamentele uitdaging bij het zoeken naar exoplaneten: de ster is miljoenen malen helderder dan de planeet die hij herbergt, waardoor de planeet bijna onmogelijk direct te zien is. Een van de meest veelbelovende manieren om dit probleem op te lossen, is een techniek genaamd nulling-interferometrie. Stel je twee telescopen voor die samenwerken als één instrument, die het licht van een ster opvangen en combineren op een manier die ervoor zorgt dat de lichtgolven van de ster elkaar opheffen, zoals twee rimpelingen in een vijver die elkaar ontmoeten en het water doen vlak worden. Als de uitdoving perfect is, verdwijnt de ster, waardoor alleen het zwakke licht van eventuele omloopbanen van planeten zichtbaar blijft. Het bereiken van deze perfecte uitdoving vereist echter extreme precisie, vooral wanneer men kijkt naar het mid-infrarode deel van het spectrum, waar de warmte van de planeten zelf het helderst schijnt. Om de noodzakelijke gevoeligheid te bereiken, moet het hele instrument worden gekoeld tot temperaturen nabij het absolute nulpunt, een conditie die nieuwe fysieke uitdagingen met zich meebrengt omdat materialen krimpen en verschuiven.

Aan de Zwitserse Federale Instituut voor Technologie in Zürich bouwt een team van onderzoekers een laboratoriumtestopstelling genaamd de Nulling Interferometry Cryogenic Experiment, of NICE, om te bewijzen dat deze moeilijke technologie kan werken. Hun doel is om de LIFE-missie voor te bereiden, een toekomstige ruimteobservator die ontworpen is om leefbare werelden op te sporen. In hun laatste rapport beschrijft het team hoe zij er succesvol in zijn geslaagd om het vermogen te demonstreren om sterlicht uit te doven tot een niveau van één op honderdduizend, maar alleen voor één kleur licht en één polarisatietoestand. Dit is een cruciale drempel voor de missie, maar het schiet tekort voor de volledige breedband en polarisatie-onafhankelijke eisen die nodig zijn voor het uiteindelijke ruimte-instrument. Ze bereikten dit met een opstelling die het uiteindelijke ruimte-instrument nabootst, maar ze deden dit eerst bij kamertemperatuur om te verzekeren dat het basisconcept werkt voordat ze zich aan de veel moeilijkere taak gaan wagen om het hele systeem te koelen tot vijftien Kelvin, wat ongeveer min 258 graden Celsius is. De onderzoekers ontdekten dat hoewel ze de vereiste duisternis konden bereiken voor een enkele kleur licht, het spreiden van deze prestatie over een breed scala aan kleuren en verschillende polarisaties van licht verschillende hardnekkige obstakels aan het licht bracht die opgelost moeten worden voordat de ruimtevaartmissie kan vliegen.

Het experiment is gebouwd rond een twee-straal interferometer, een apparaat dat een laserstraal in twee paden splitst en deze vervolgens weer combineert. In de NICE-opstelling reist het licht door een reeks spiegels en lenzen, geleid door een geavanceerd controlesysteem dat voortdurend de positie van de stralen meet en kleine aanpassingen maakt om ze perfect uitgelijnd te houden. De onderzoekers gebruikten een speciaal type glasvezelkabel om het licht te filteren, waardoor alleen de schoonste, meest uniforme golven naar de detector kunnen passeren. Deze filtering is essentieel omdat het de rommelige verstoringen in de lichtgolf verwijdert die zouden voorkomen dat het sterlicht volledig wordt uitgedoofd. In hun eerste tests bij kamertemperatuur slaagde het team erin om een "null", of een punt van duisternis, te creëren die diep genoeg was om aan de eisen van de LIFE-missie te voldoen, maar alleen voor een enkele, smalle kleur licht. Ze toonden ook aan dat het systeem deze duisternis gedurende een korte periode kon behouden, wat het concept levensvatbaar bewijst.

De weg naar een werkende ruimetelescoop is echter geplaveid met complicaties die pas verschijnen wanneer het systeem tot zijn grenzen wordt gedreven. De onderzoekers ontdekten dat hun huidige glasvezelkabels niet perfect waren in het blokkeren van ongewenste lichtpatronen. Hoewel de hoofdstraal van het licht er schoon doorheen ging, lekte er wat strooilicht door de buitenste lagen van de kabel, wat een zwakke achtergrondgloed veroorzaakte die voorkwam dat het sterlicht volledig werd geannuleerd. Deze lekkage was zo subtiel dat deze pas zichtbaar werd toen ze probeerden de diepste niveaus van duisternis te bereiken. Het team testte verschillende soorten filmmaterialen en coatings om dit lek te stoppen, waaronder exotisch glas en speciale vloeibare metaalcoatings, maar geen van deze pogingen loste het probleem volledig op. Ze ontdekten dat hoewel het verbeteren van de uitlijning van de apparatuur de hoeveelheid strooilicht die de vezel binnentreedt kon verminderen, deze aanpak het onderliggende probleem van mode-lekkage niet oplost en de toegestane toleranties voor het systeem zelfs verkleint.

Nog een grote hindernis is de kleur van het licht zelf. De LIFE-missie moet een breed bereik aan infrarode kleuren observeren, van vier tot achttien micrometer, om de chemische signaturen van leven te detecten. Het NICE-team kwam erachter dat hoewel ze één specifieke kleur licht konden uitdoven, het perfect uitdoven over een breed spectrum ongelooflijk moeilijk is. Dit komt doordat de verschillende kleuren licht iets andere snelheden hebben door het glas en andere materialen in het instrument, waardoor ze niet meer synchroon lopen. De onderzoekers bouwden een model om te voorspellen hoeveel fout dit zou veroorzaken en ontdekten dat de fabricagetoleranties voor de glaskomponenten extreem nauw zouden moeten zijn, met fouten kleiner dan de breedte van een menselijke haar. Ze ontwikkelen momenteel een mechanisch apparaat dat een stuk glas een heel klein beetje heen en weer kan verschuiven om deze timingfout te corrigeren, maar ze hebben nog geen diepe null bereikt over een brede band van kleuren.

Het team onderzocht ook hoe de polarisatie van het licht, wat de richting beschrijft waarin de lichtgolven trillen, de uitdoving beïnvloedt. Omdat sterren en planeten licht uitzenden dat in alle richtingen trilt, moet het instrument in staat zijn om beide soorten trillingen even goed uit te doven. De onderzoekers maten de polarisatie van de twee stralen en ontdekten dat kleine verschillen in de hoek van de spiegels ervoor zorgden dat het licht in elk pad iets anders trilde. Dit verschil, hoewel klein, was genoeg om de kwaliteit van de uitdoving te verslechteren. Ze identificeerden een specifieke spiegel in het vertragingslijnensysteem als de hoofdschuldige en corrigeerden de uitlijning ervan, wat de resultaten verbeterde. Ze moeten echter nog steeds vaststellen of de resterende verschillen klein genoeg zijn om aan de strikte eisen van de missie te voldoen, of dat ze een nieuw mechanisme moeten bouwen om de polarisatie actief te corrigeren.

Met het oog op de toekomst bereiden de onderzoekers zich voor om hun experiment van kamertemperatuur naar een cryogene omgeving te verplaatsen. Ze hebben een kleine, modulaire vriezer gebouwd genaamd de "Ice Cube" om te testen hoe de materialen en mechanische onderdelen van hun instrument zich gedragen wanneer ze afkoelen tot vijftien Kelvin. Deze stap is cruciaal omdat de extreme kou ervoor zorgt dat materialen krimpen, wat de delicate uitlijning van de spiegels uit balans kan brengen. Het team plant om deze vriezer te gebruiken om verschillende manieren van het monteren van de optica te testen en om te verifiëren dat hun controlesystemen in de kou nog steeds kunnen functioneren. Zodra ze hebben bevestigd dat de componenten de kou kunnen overleven, zullen ze beginnen met het ontwerpen van een veel grotere vriezer die het gehele instrument zal huisvesten. Het uiteindelijke doel is om aan te tonen dat een diepe, stabiele null kan worden bereikt bij deze lage temperaturen, om te bewijzen dat de technologie klaar is voor de ruimteomgeving.

De routekaart voor het NICE-experiment is duidelijk, hoewel het werk dat voor hen ligt aanzienlijk is. Het team heeft al bewezen dat het basisidee werkt en heeft de specifieke technische barrières geïdentificeerd die in de weg staan van een volledige ruimtevaartmissie. Ze richten zich nu op het oplossen van de problemen van strooilicht, brede kleurbereiken en polarisatie, terwijl ze zich tegelijkertijd voorbereiden op de extreme kou van de ruimte. Als ze slagen, zullen ze het essentiële bewijs van concept geleverd hebben dat nodig is voor de lancering van de LIFE-missie, een project dat eindelijk de geheimen van planeten die mogelijk leven herbergen, zou kunnen onthullen. De reis van een laboratoriumbank naar een ruimetelescoop is lang en vol uitdagingen, maar het NICE-team heeft laten zien dat de weg vooruit mogelijk is, één precieze aanpassing tegelijk.