On-sky demonstration of dual-field interferometry at the CHARA Array

Om de fijnste details van het universum te kunnen zien, moeten astronomen telescopen vaak aan elkaar koppelen, waardoor een virtueel instrument ontstaat dat zo breed is als de afstand tussen hen. Deze techniek, bekend als interferometrie, stelt wetenschappers in staat om minuscule structuren op verre sterren te onderscheiden die anders slechts als punten van licht zouden verschijnen. De aardatmosfeer is echter een turbulente deken die het binnenkomende sterrenlicht voortdurend vervormt, waardoor de delicate interferentiepatronen die nodig zijn voor deze metingen wazig worden en binnen een fractie van een seconde verdwijnen. Traditioneel betekende dit dat astronomen alleen heldere sterren gedurende zeer korte perioden konden observeren, wat hun vermogen om zwakkere, meer ongrijpbare objecten zoals verre begeleiders of exoplaneten te bestuderen, beperkte. De uitdaging is altijd geweest hoe men het "zicht" van de telescoop lang genoeg stabiel kan houden om voldoende licht van deze zwakke doelwitten te verzamelen zonder dat de atmosferische ruis het signaal wegspoelt.

Een team van onderzoekers bij de CHARA Array, een collectie van zes telescopen op Mount Wilson in Californië, heeft nu succesvol een nieuwe manier aangetoond om deze barrière te overwinnen. Door een heldere nabijgelegen ster als real-time gids te gebruiken, hebben zij aangetoond dat het mogelijk is om de atmosferische verstoringen van de ene ster te volgen terwijl men tegelijkertijd een lange, stabiele blik werpt op een veel zwakkere begeleidende ster. Deze "dual-field"-benadering ontkoppelt effectief de noodzaak van een helder doelwit van de noodzaak van een lange observatie, wat de deur opent naar het bestuderen van systemen die voorheen te zwak waren om in dergelijke detail te zien.

Het team zette deze nieuwe capaciteit in de zomer van 2025 op de proef met een drievoudig stersysteem dat bekend staat als alpha Piscium. Dit systeem is een hiërarchische opstelling, wat betekent dat het een brede dubbelster bevat, waarvan één zelf een nauwe binaire paren is. De onderzoekers gebruikten twee verschillende instrumenten die verbonden zijn met dezelfde zes telescopen. Het ene instrument, MIRC-X, hield de helderdere primaire ster vast om als referentie te dienen, waarbij de atmosferische trillingen duizenden keren per seconde werd gemeten. Deze metingen werden gebruikt om het pad van het licht in real time te corrigeren. Ondertussen gebruikte een tweede instrument, MYSTIC, diezelfde correcties om de zwakkere begeleidende ster te observeren in het infrarode deel van het spectrum. Omdat de referentiestar het systeem stabiel hield, kon het tweede instrument het licht van de zwakke begeleider veel langer integreren dan gebruikelijk, waardoor het details kon onderscheiden die anders verloren zouden gaan.

De resultaten van deze eerste test waren direct en precies. Het team slaagde erin de binnenste binaire paren van de begeleidende ster te onderscheiden, waarbij twee sterren werden gescheiden die slechts zeven duizendsten van een boogseconde uit elkaar liggen. Om die afstand in perspectief te plaatsen: het is ongeveer de grootte van een muntstuk gezien vanaf honderden mijlen afstand. Bovendien mat het team, door de posities van de twee hoofdsterren in het systeem te vergelijken, hun scheiding met een onzekerheid van slechts 234 microboogseconden. Dit niveau van precisie bevestigt dat de gehele keten van operaties — van het opvangen van het licht van twee sterren tegelijk tot het stabiliseren van de franjes en het registreren van de gegevens — naar behoren werkt.

Hoewel het initiële succes twee sterren van vergelijkbare helderheid gebruikte, is het ware doel van deze technologie het observeren van objecten die aanzienlijk minder helder zijn dan hun referentiester. De onderzoekers werken nu aan het verleggen van de grenzen van deze gevoeligheid. Ze hebben software ontwikkeld die de fase van het licht in verschillende kleuren infraroodlicht kan volgen, waardoor het systeem stabiel blijft zelfs wanneer de atmosfeer verschuift. Vroege tests laten zien dat het systeem een stabiele lock kan behouden met zeer kleine fouten, een cruciale stap voor het observeren van zwakke doelwitten. De huidige opstelling wordt echter nog steeds beperkt door de helderheid van de sterren die het kan verwerven en de thermische ruis die de instrumenten zelf genereren tijdens lange blootstellingen.

Om zelfs zwakkere doelwitten te bereiken, plant het team verschillende hardware-upgrades. Ze zijn van plan de camera die wordt gebruikt om sterren te vinden en te volgen te vervangen door een gevoeliger model dat veel zwakkere objecten kan detecteren, wat potentieel het bereik van observeerbare sterren kan uitbreiden van de huidige limiet naar veel zwakkere magnituden. Ze zijn ook van plan de detectoren te koelen en warme ramen in het instrument te verwijderen om de achtergrondwarmte te verminderen die momenteel zwakke signalen overstemt. Daarnaast willen ze de adaptieve optica-systemen op de telescopen verbeteren, die atmosferische vervaging corrigeren, om ervoor te zorgen dat meer licht van de zwakke begeleider het instrument binnengaat.

Computersimulaties suggereren dat het systeem met deze upgrades uiteindelijk sterren kan observeren die zo zwak zijn als magnitude 13 in de K-band, een aanzienlijke sprong ten opzichte van de huidige limiet van rond magnitude 8 of 9. Dit zou astronomen in staat stellen om op zoek te gaan naar zwakke begeleiders, zoals bruine dwergen of exoplaneten, die rond sterren draaien die te zwak zijn om met de huidige methoden bestudeerd te kunnen worden. Het team is al begonnen met het verzamelen van gegevens om deze gevoeligheidsgrenzen te testen, en hoewel de volledige analyse nog gaande is, is de weg vooruit duidelijk. Door een heldere ster te veranderen in een vuurtoren die het zicht op een zwakkere buur leidt, transformeert de CHARA Array hoe we de verborgen, zwakke componenten van onze kosmische buurt kunnen zien.