Demonstration of simultaneous PIAA- coronagraphy and wavefront sensing using a single metasurface-based focal-plane optic

Om een planeet die rond een verre ster draait te kunnen zien, moeten astronomen een probleem van overweldigende helderheid oplossen. De ster is als een verblindende zoeklicht, terwijl de planeet een zwakke vuurvlieg is die slechts enkele centimeters verwijderd zweeft. Zelfs de krachtigste telescopen op aarde hebben moeite om de twee van elkaar te scheiden, omdat de atmosfeer het licht doet schitteren en vervormen, en omdat de interne optica van de telescoop zelf minuscule, onzichtbare fouten introduceert. Om dit te overwinnen, gebruiken wetenschappers extreme adaptieve optica, een systeem dat de verstoringen duizenden keren per seconde meet en een spiegel vervormt om deze te compenseren. Er blijft echter een hardnekkige uitdaging bestaan: het licht dat wordt gebruikt om deze verstoringen te meten en het licht dat wordt gebruikt om de foto van de planeet te maken, volgen in het instrument een iets ander pad. Dit verschil creëert een statische, spookachtige waas van licht die een zwakke planeet gemakkelijk kan verbergen. Om deze waas te klaren, moeten onderzoekers de wavefrontfouten direct in het pad van het wetenschappelijke licht detecteren, maar dat vereist meestal volumineuze, aparte apparatuur die meer optische paden en meer fouten toevoegt.

Een team van onderzoekers heeft een manier gedemonstreerd om twee cruciale functies samen te voegen in één enkele, microscopische component. Ze creëerden een speciaal optisch element, een plat oppervlak bewerkt met minuscule structuren die kleiner zijn dan de breedte van een menselijk haar, dat zowel fungeert als een wavefrontsensor als een stervel-blokker (starlight blocker). Dit apparaat, bekend als een metasurface, werd ontworpen om zich anders te gedragen afhankelijk van de kleur van het licht dat erdoorheen gaat. Bij één specifieke tint rood licht fungeert het als een sensor, die de verstoringen in het sterlicht meet om de telescoop te helpen de visie te corrigeren. Bij een iets andere tint rood licht fungeert het als een coronagraaf, een masker dat de schittering van de ster onderdrukt om de zwakke begeleiders in de buurt te onthullen. Door deze rollen te combineren, lieten de onderzoekers zien dat het mogelijk is om de fouten van de telescoop te detecteren en te corrigeren zonder extra optische paden toe te voegen, wat potentieel de weg vrijmaakt voor duidelijkere beelden van werelden buiten ons zonnestelsel.

De onderzoekers bouwden een prototype van dit hybride apparaat met behulp van een laag amorf silicium, een veelvoorkomend materiaal in de elektronica, aangebracht op een glazen substraat. Ze ontwierpen de minuscule pilaren op dit oppervlak zo dat ze de fase van de lichtgolven die erdoorheen gaan, verschuiven. Het ontwerp was slim: bij kortere golflengten binnen het infraroodspectrum verschuift het apparaat het licht met een specifieke hoeveelheid om een interferentiepatroon te creëren dat wavefrontfouten onthult, waarbij het functioneert als een Zernike-wavefrontsensor. Bij langere golflengten verschuift hetzelfde oppervlak het licht met een andere hoeveelheid, waardoor het sterlicht zichzelf elimineert door destructieve interferentie, waarbij het functioneert als een complexe masker-coronagraaf. Deze dubbelzinnige natuur stelt de telescoop in staat om hetzelfde brandpunt te gebruiken voor zowel detectie als beeldvorming, waardoor de "non-common path"-fouten die meestal high-contrast instrumenten teisteren, effectief worden geëlimineerd.

Om te testen of dit concept in de echte wereld werkte, maakten het team de metasurface en brachten deze naar de Magellan Clay Telescoop in Chili. Ze installeerden het apparaat in het MagAO-X instrument, een hoogwaardig systeem ontworpen voor extreme adaptieve optica. Eerst testten ze het vermogen van het apparaat om wavefrontfouten te detecteren met behulp van een interne lichtbron binnen de telescoop. Ze introduceerden bekende verstoringen en vroegen het systeem om deze te meten. De resultaten toonden aan dat de metasurface de wavefrontfouten nauwkeurig kon reconstrueren en even goed presteerde als een theoretisch ideale sensor. Dit bevestigde dat de microscopische structuren precies werkten zoals ontworpen, en de noodzakelijke fasesverschuivingen boden om de subtiele rimpelingen in het licht te detecteren.

Vervolgens namen de onderzoekers de telescoop mee naar de nachthemel om de coronagrafische prestaties te testen. Ze richtten het instrument op een drievoudig sterrenysteem, waarbij de heldere primaire ster het doelwit was om te onderdrukken. Het doel was om te zien hoe goed het apparaat het licht van de ster kon blokkeren om de zwakke begeleidende sterren in de buurt te onthullen. De waarnemingen werden uitgevoerd op een golflengte van 1600 nanometer, een kleur waarbij het apparaat niet perfect geoptimaliseerd was maar nog steeds functioneel. De resultaten toonden een contrast van ongeveer één op tien, wat betekent dat het sterlicht met een factor tien werd verminderd vergeleken met een standaardbeeld zonder het masker. Hoewel dit nog niet diep genoeg is om aardachtige planeten te zien, kwam de prestatie overeen met computer simulaties die gebruikmaakden van de werkelijke gemeten eigenschappen van het vervaardigde apparaat. Deze overeenstemming tussen de laboratoriummetingen, de computermodellen en de observaties aan de hemel bewees dat de hybride aanpak werkt.

De studie onthulde ook waar de technologie verbeterd kan worden. Het team ontdekte dat de grootte van het masker op de chip iets groter was dan het theoretisch optimum voor de specifieage configuratie van de telescoop. Simulaties gaven aan dat als ze het masker iets kleiner hadden gemaakt, het contrast met bijna twee grootheden zou zijn verbeterd, een niveau dat veel dichter bij wat nodig is voor directe exoplaneet-beeldvorming ligt. Bovendien werd het apparaat getest op een golflengte waarbij de prestaties niet op hun piek waren; het ontwerp was bedoeld om bij iets andere kleuren optimaal te werken. De onderzoekers merkten op dat toekomstige iteraties zich zullen richten op het gezamenlijk optimaliseren van de grootte van het masker en de specifieke golflengten die het target, om zowel de detectie als de onderdrukking van sterlicht te maximaliseren.

Dit werk vormt een belangrijke stap naar het vereenvoudigen van de complexe instrumenten die nodig zijn om andere werelden te vinden. Door te bewijzen dat één enkel, plat optisch element twee verschillende, precisie-taken tegelijkertijd kan uitvoeren, hebben de onderzoekers een pad aangetoond om het aantal optische componenten in een telescoop te verminderen. Minder componenten betekenen minder plaatsen waar het licht fout kan gaan, wat essentieel is voor de volgende generatie telescopen die zullen proberen beelden te maken van aardachtige planeten rond nabijgelegen sterren. De succesvolle test aan de hemel toont aan dat het concept levensvatbaar is, waardoor het van een theoretisch idee naar een werkende realiteit is gegaan die kan worden verfijnd en verbeterd voor toekomstige missies.