Asgard/NOTT: Status of laboratory nulling performance

Diep in het hart van de astronomie ligt een hardnekkige uitdaging: het waarnemen van de zwakke, fletse begeleiders van sterren. Jonge reuzenplaneten en kolkende stofwolken verbergen zich vaak in de schittering van hun moederster, vergelijkbaar met het proberen te spotten van een vuurvliegje naast een schijnwerper. Om dit op te lossen, gebruiken astronomen een techniek genaand nulling-interferometrie. In plaats van te proberen het licht van de ster te blokkeren met een fysiek schild, combineren ze het licht van meerdere telescopen op een manier die ervoor zorgt dat de lichtgolven van de ster elkaar opheffen. Stel je twee watergolven voor die elkaar ontmoeten; als de ene omhoog wordt geduwd terwijl de andere op exact hetzelfde moment naar beneden wordt geduwd, vlakken ze uit tot een kalm oppervlak. Door deze "donkere" zone voor de ster te creëren, kan het instrument het veel zwakkere licht onthullen dat afkomstig is van nabijgelegen planeten of stofringen, wat anders verloren zou gaan in de schittering. Deze methode is cruciaal voor het vinden van werelden nabij de "sneeuwlijn"—een regio rond een ster waar het koud genoeg is voor ijsvorming, een sleutellocatie voor het begrijpen van hoe planeten worden geboren.

Een team van onderzoekers heeft gewerkt aan een nieuw instrument genaamd Asgard/NOTT, ontworpen om deze delicate annulering uit te voeren in een specifiek bereik van infrarood licht dat bekend staat als de L'-band. Deze band is bijzonder nuttig omdat het contrast tussen een ster en een jonge planeet hier gunstiger is, en de achtergrondwarmte van de atmosfeer lager is dan bij langere golflengten. Het instrument vertrouwt op een piepkleine, gespecialiseerde chip gemaakt van een glasachtig materiaal genaamd Gallium Lanthaan Sulfide. Binnen deze chip reist het licht door microscopische kanalen die fungeren als wegen voor fotonen. Wanneer licht van verschillende telescopen de kanalen binnengaat, versmelten ze en interfereren ze met elkaar. De chip is zo ontworpen dat het licht van de ster perfect wordt geannuleerd, terwijl het licht van een begeleidende planeet doorgaat naar de detector. Voordat dit instrument op de Very Large Telescope Interferometer in Chili geïnstalleerd kan worden, moet het grondig worden getest op een laboratoriumtafel om te verzekeren dat het werkt zoals bedoeld.

In dit recente werk hebben de onderzoekers een belangrijke stap gezet door de prestaties van het instrument te testen onder normale kamertemperatuurcondities, maar met een nieuwe draai: ze gebruikten licht dat was uitgespreid in zijn componentkleuren, of gedispergeerd. Eerdere tests hadden ofwel een brede mix van kleuren gebruikt of werden uitgevoerd onder extreem koude omstandigheden, maar deze nieuwe test was bedoeld om te zien hoe de chip presteerde wanneer er naar specifieke kleuren licht werd gekeken, terwijl deze nog steeds in het laboratorium was. Het team bouwde een geavanceerde testopstelling die het licht dat van de telescopen komt nabootst, gebruikmakend van spiegels en lenzen om vier lichtbundels in de fotonische chip te leiden. Ze pasten de positie van deze bundels zorgvuldig aan en scanden ze heen en weer om het exacte punt te vinden waar het sterlicht wordt geannuleerd. Om de gegevens te interpreteren, ontwikkelden ze een nieuwe computerpipeline om de beelden op te schonen, waarbij achtergrondruis wordt verwijderd en ongelijkmatige verlichting op de camerasensor wordt gecorrigeerd.

De resultaten van deze test onthulden een mix van succes en onverwachte hindernissen. De onderzoekers bevestigden dat de minuscule kanalen in de chip het licht op de manier splitsen die zij voor ogen hadden, waarbij de verschillende kleuren licht consistent gedrag vertoonden over het doelbereik van de golflengte. Dit was een belangrijke verificatie dat de chip zelf correct functioneerde. Echter, toen ze probeerden te meten hoe goed het instrument het sterlicht kon annuleren, waren de prestaties niet zo goed als ze eerder in simpelere tests hadden gezien. In plaats van het extreem hoge niveau van duisternis te bereiken waar ze naar streefden, was de "null" ongeveer tien keer helderder dan verwacht. Het team ontdekte dat dit niet kwam doordat de chip kapot was, maar omdat het licht dat de chip binnenkwam niet perfect gebalanceerd was. De interne kanalen splitsten het licht ongelijkmatig, en omdat de onderzoekers eerder hadden geprobeerd om gelijke hoeveelheden licht in het systeem te voeden, was de annulering minder effectief.

Om dit op te lossen, realiseerden de onderzoekers zich dat ze hun aanpak moeten veranderen. In toekomstige tests zijn ze van plan om doelbewust iets verschillende hoeveelheden licht in de verschillende kanalen toe te dienen om het ongelijkmatige splitsen binnen de chip te compenseren. Ze identificeerden ook dat hun huidige methode om achtergrondruis van de camera te verwijderen niet perfect was, aangezien het achtergrondlicht in de loop van de tijd verschuift. Ze zijn van plan een mechanisch chopper-wiel te installeren dat het licht snel aan en uit kan schakelen, waardoor ze de achtergrondruis in realtime kunnen aftrekken. Met deze aanpassingen, samen met de installatie van een definitieve, gevoeligere camera en een cryostaat om het systeem te koelen, verwacht het team het instrument opnieuw te testen en de hoge prestaties van de annulering te bereiken die nodig zijn voor echte astronomische waarnemingen. Dit werk dient als een vitaal controlepunt, dat bewijst dat hoewel de kerntechnologie solide is, de weg naar het perfectioneren van het instrument zorgvuldige afstemming van het in het systeem invallende licht en beter beheer van de achtergrondruis vereist.