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

Astronomen zoeken al lang naar manieren om het universum met scherpere ogen te zien, waarbij ze de grenzen van wat hun telescopen kunnen oplossen, verleggen. Om dit te doen, combineren ze vaak licht van meerdere telescopen, een techniek die interferometrie wordt genoemd, wat werkt als één enkele, reusachtige spiegel. De traditionele manier om dit te doen, vertrouwt echter op volumineuze glazen lenzen en spiegels die zwaar zijn, moeilijk perfect uit te lijnen zijn en gevoelig zijn voor lichtverlies onderweg. In de afgelopen jaren is er een nieuwe aanpak ontstaan die licht niet behandelt als een straal die van grote oppervlakken weerkaatst, maar als een signaal dat door minuscule, microscopische kanalen reist die direct in glas zijn uitgehouwen. Dit veld, bekend als astrofotonica, belooft complexe instrumenten te verkleinen tot de omvang van een chip, wat meer stabiliteit en precisie biedt. De uitdaging is geweest om te bewijzen dat deze delicate, microscopische structuren de barre omstandigheden van een echte observatieplaats kunnen overleven en net zo goed presteren als hun massieve, traditionele tegenhangers.

Een team onderzoekers die werkzaam zijn aan het NAIR-APREXIS-project heeft nu overtuigend bewijs geleverd dat deze microscopische aanpak klaar is voor de praktijk. Ze hebben met succes verschillende nieuwe soorten instrumenten gebouwd en getest met behulp van een techniek genaamd ultrasnelle laserinscriptie, waarbij een krachtige laser minuscule lichtgeleidende paden direct in blokken glas schrijft. Hun werk laat zien dat deze glazen chips niet alleen het licht van verre sterren met extreme precisie kunnen combineren, maar ook het licht van een telescoop kunnen reorganiseren om gedetailleerde kaarten van planeten en sterren te maken. Het team heeft hun apparaten al getest op echte telescopen in Californië, en ze bereiden zich voor om in 2027 een nieuw systeem in Chili te testen. Deze tests tonen aan dat deze kleine instrumenten zwak sterrenlicht met hoge efficiëntie kunnen opvangen en gedurende lange perioden stabiel blijven, wat de weg vrijmaakt voor een nieuwe generatie compacte, hoogwaardige astronomische instrumenten.

Het eerste grote succes van het project betrof een apparaat dat ontworpen is om licht van twee telescopen te combineren om de helderheid en vorm van sterren te meten. De onderzoekers bouwden dit instrument met behulp van een speciaal type glas genaamd Infrasil, dat transparant is voor het infrarode licht dat wordt gebruikt om koude objecten in de ruimte te bestuderen. Ze gebruikten hun lasertechniek om een netwerk van microscopische kanalen in het glas te graven dat het sterrenlicht splitst en weer combineert. Toen ze dit apparaat testten bij de CHARA Array, een collectie van zes telescopen in Californië, waren de resultaten indrukwekkend. Het instrument bleek opmerkelijk stabiel te zijn en behield zijn prestaties tijdens urenlange observaties. Het was in staat om interferentiepatronen van sterren te meten met een precisie van één procent, een nauwkeurigheidsniveau dat vereist is voor serieuze wetenschappelijke ontdekkingen. Nog belangrijker was dat het apparaat efficiënt was, waardoor meer dan veertig procent van het sterrenlicht naar de detector kon passeren, en het kon sterren detecteren die zo zwak zijn als magnitude vijf zonder extra apparatuur nodig te hebben om het licht te stabiliseren. Dit succes liet zien dat een klein, solide blok glas een complex, volumineus optisch systeem kan vervangen terwijl het een superieure stabiliteit levert.

Naast het simpelweg combineren van licht, ontwikkelen de onderzoekers ook instrumenten om het wazige beeld van een ster of planeet te veranderen in een gedetailleerde kaart van licht en kleur, een capaciteit die integrale veldspectroscopie wordt genoemd. Om dit te bereiken, creëren ze een nieuw soort glasvezelkabel die meer dan honderd minuscule kernen bevat, waarbij elke kern fungeert als een afzonderlijke pixel om licht vanuit een ander deel van de hemel op te vangen. Een grote hindernis bij dergelijke ontwerpen is het voorkomen dat licht van de ene kern naar de buurman lekt, wat het beeld zou vervagen. Door een heterogene opzet te gebruiken waarbij de kernen iets verschillende groottes hebben, zijn de onderzoekers erin geslaagd deze lekkage te onderdrukken tot een niveau waarbij minder dan één deel op duizend van het licht oversteekt. Ze zijn momenteel bezig met het bouwen van een compleet systeem dat een met lasers geschreven apparaat bevat om deze kernen in een lijn te rangschikken, die vervolgens een spectrograaf voedt. Dit systeem is gepland voor een test op een telescoop in Chili in 2027, met als doel astronomen te helpen bij het detecteren en bestuderen van planeten die rond andere sterren draaien.

Het project onderzocht ook hoe de instrumenten zelf nog kleiner en meer geïntegreerd kunnen worden gemaakt. De onderzoekers printten minuscule, driedimensionale optische componenten direct op de uiteinden van glasvezelkabels met behulp van een proces dat twee-fotonen polymerisatie wordt genoemd. Deze componenten fungeren als miniature spectrografen, die licht in zijn kleuren splitsen om de chemische samenstelling van hemellichamen te analysen. Elk apparaat is minder dan één millimeter groot, en toch slaagt het erin om licht uit te breiden, te collimeren en te disperseren binnen één enkel, solide stuk materiaal. In laboratoriumtests bereikten deze kleine spectrografen een oplosvermogen van ongeveer dertig, wat betekent dat ze onderscheid kunnen maken tussen nauw verwante kleuren, en ze lieten meer dan tachtig procent van het licht door. Dit niveau van integratie suggereert dat toekomstige instrumenten ongelooflijk lichtgewicht kunnen zijn en geen uitlijning vereisen, aangezien de optische onderdelen permanent aan elkaar zijn gefuseerd.

Een andere innovatieve ontwikkeling betreft de creatie van kleine piramidevormige sensoren die worden gebruikt om de kwaliteit van het zicht van de telescoop te meten. Traditioneel worden deze piramides van glas gemaakt en vereisen ze duur en moeilijk polijsten om perfect scherpe randen te verkrijgen. Het team gebruikte 3D-optische printtechnieken om deze piramides te maken, die slechts enkele millimeters breed zijn. Hun metingen toonden aan dat deze geprinte piramides een oppervlaktegladheid en randenscherpte hebben die overeenkomen met of zelfs de kwaliteit van traditioneel vervaardigde glazen piramides overtreffen. Omdat ze zo klein zijn, introduceren ze ook een unieke vorm van filtering die de manier waarop astronomen atmosferische turbulentie meten, zou kunnen verbeteren. Eerste tests op een adaptieve optica-testopstelling bevestigden dat deze geprinte sensoren werken zoals voorspeld, wat de deur opent naar goedkopere, veelzijdiger wavefrontsensoren voor toekomstige telescopen.

Misschien wel de meest significante validatie van deze technologie kwam uit een langetermijnstudie van een sensor die is geïnstalleerd bij de Large Binocular Telescope. Deze sensor, die een ring van minuscule geprinte lenzen gebruikt om licht in een glasvezel te focussen, heeft zes jaar lang in de echte wereld opereerd. Tijdens deze tijd werd de sensor blootgesteld aan temperatuurschommelingen, vochtigheid, trillingen en de constante beweging van de telescoop. Ondanks deze zware omstandigheden bleef de sensor perfect functioneren en vertoonde hij geen tekenen van degradatie of afwijking in zijn prestaties. Dit zesjarige record bewijst dat deze 3D-geprinte optische componenten robuust genoeg zijn om de veeleisende omgeving van een observatorium op de lange termijn te overleven. Het bevestigt dat de technologie niet slechts een laboratoriumcuriositeit is, maar een levensvatbare oplossing voor de toekomst van astronomische instrumentatie, die een pad biedt naar instrumenten die kleiner, stabieler en in staat zijn de eenheid van het universum met ongekende helderheid te onthullen.