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

Para encontrar um mundo como o nosso, os astrônomos devem procurar por um brilho tênue escondido no clarão cegante de uma estrela distante. Este é o desafio fundamental da busca por exoplanetas: a estrela é milhões de vezes mais brilhante do que o planeta que ela hospeda, tornando o planeta quase impossível de ser visto diretamente. Uma das formas mais promissoras de resolver este problema é uma técnica chamada interferometria de nulidade. Imagine dois telescópios trabalhando juntos como um único instrumento, coletando a luz de uma estrela e combinando-a de uma forma que faça com que as ondas da luz estelar se cancelem mutuamente, como duas ondulações em um lago que se encontram e suavizam a água. Se o cancelamento for perfeito, a estrela desaparece, deixando visível apenas a luz tênue de quaisquer planetas em órbita. No entanto, alcançar este cancelamento perfeito exige uma precisão extrema, especialmente ao observar planetas na parte do infravermelho médio do espectro, onde o calor dos próprios planetas brilha com mais intensidade. Para atingir a sensibilidade necessária, todo o instrumento deve ser resfriado a temperaturas próximas do zero absoluto, uma condição que introduz novos desafios físicos à medida que os materiais encolhem e se deslocam.

No Instituto Federal de Tecnologia da Suíça em Zurique, uma equipe de pesquisadores está construindo um banco de testes de laboratório chamado Nulling Interferometry Cryogenic Experiment, ou NICE, para provar que esta tecnologia difícil pode funcionar. O objetivo deles é preparar-se para a missão LIFE, um futuro observatório espacial projetado para caçar mundos habitáveis. Em seu relatório mais recente, a equipe descreve como demonstrou com sucesso a capacidade de cancelar a luz estelar a um nível de uma parte em cem mil, mas apenas para uma única cor de luz e um único estado de polarização. Este é um limiar crucial para a missão, mas fica aquém dos requisitos de banda larga total e de independência de polarização necessários para o instrumento espacial final. Eles alcançaram isso usando uma configuração que mimetiza o instrumento espacial final, mas fizeram isso primeiro à temperatura ambiente para garantir que o conceito básico funciona antes de tentar a tarefa muito mais difícil de resfriar todo o sistema para quinze Kelvin, o que é aproximadamente menos 258 graus Celsius. Os pesquisadores descobriram que, embora pudessem atingir a escuridão necessária em uma única cor de luz, estender este desempenho através de uma ampla gama de cores e diferentes polarizações de luz revelou vários obstáculos persistentes que devem ser resolvidos antes que a missão espacial possa voar.

O experimento é construído em torno de um interferômetro de dois feixes, um dispositivo que divide um feixe de laser em dois caminhos e depois os recombina. Na configuração do NICE, a luz viaja através de uma série de espelhos e lentes, guiada por um sistema de controle sofisticado que mede constantemente a posição dos feixes e faz pequenos ajustes para mantê-los perfeitamente alinhados. Os pesquisadores usaram um tipo especial de cabo de fibra ótica para filtrar a luz, permitindo que apenas as ondas mais limpas e uniformes passassem para o detector. Esta filtragem é essencial porque remove quaisquer distorções desordenadas na onda de luz que impediriam o cancelamento completo da luz estelar. Em seus testes iniciais à temperatura ambiente, a equipe conseguiu criar um "nulo", ou um ponto de escuridão, que era profundo o suficiente para atender aos requisitos da missão LIFE, mas apenas para uma única cor de luz estreita. Eles também mostraram que o sistema poderia manter esta escuridão por um curto período, provando que o conceito é viável.

No entanto, o caminho para um telescópio espacial funcional é pavimentado com complicações que só aparecem quando o sistema é levado ao seu limite. Os pesquisadores descobriram que seus cabos de fibra ótica atuais não eram perfeitos em bloquear padrões de luz indesejados. Mesmo que o feixe principal de luz passasse limpo, alguma luz residual vazava pelas camadas externas do cabo, criando um brilho de fundo tênue que impedia o cancelamento completo da luz estelar. Este vazamento era tão sutil que só se tornava visível quando tentavam alcançar os níveis mais profundos de escuridão. A equipe testou vários tipos diferentes de materiais e revestimentos de fibra para deter este vazamento, incluindo vidro exótico e revestimentos especiais de metal líquido, mas nenhuma dessas tentativas resolveu totalmente o problema. Eles descobriram que, embora melhorar o alinhamento do equipamento pudesse reduzir a quantidade de luz estranha entrando na fibra, essa abordagem não corrige o problema subjacente de vazamento de modo e, na verdade, reduz as tolerâncias permitidas para o sistema.

Outro grande obstáculo é a cor da própria luz. A missão LIFE precisa observar uma ampla gama de cores infravermelhas, de quatro a dezoito micrômetros, para detectar as assinaturas químicas da vida. A equipe do NICE descobriu que, embora pudessem cancelar uma cor específica de luz, manter o cancelamento perfeito através de um amplo espectro é incrivelmente difícil. Isso ocorre porque as diferentes cores de luz viajam em velocidades ligeiramente diferentes através do vidro e de outros materiais no instrumento, fazendo com que percam o passo umas com as outras. Os pesquisadores construíram um modelo para prever quanto erro isso causaria e descobriram que as tolerâncias de fabricação para os componentes de vidro precisariam ser incrivelmente apertadas, com erros menores que a largura de um fio de cabelo humano. Eles estão desenvolvendo atualmente um dispositivo mecânico que pode deslocar uma peça de vidro para frente e para trás por uma quantidade minúscula para corrigir este erro de tempo, mas ainda não alcançaram um nulo profundo através de uma banda larga de cores.

A equipe também investigou como a polarização da luz, que descreve a direção em que as ondas de luz vibram, afeta o cancelamento. Como as estrelas e os planetas emitem luz que vibra em todas as direções, o instrumento deve ser capaz de cancelar ambos os tipos de vibração igualmente bem. Os pesquisadores mediram a polarização dos dois feixes e descobriram que pequenas diferenças no ângulo dos espelhos faziam com que a luz vibrasse ligeiramente de forma diferente em cada caminho. Essa diferença, embora pequena, foi suficiente para degradar a qualidade do cancelamento. Eles identificaram um espelho específico no sistema de linha de atraso como o principal culpado e corrigiram seu alinhamento, o que melhorou os resultados. No entanto, eles ainda precisam determinar se as diferenças restantes são pequenas o suficiente para atender aos rigorosos requisitos da missão ou se precisarão construir um novo mecanismo para corrigir ativamente a polarização.

Olhando para o futuro, os pesquisadores estão preparando a transição de seu experimento da temperatura ambiente para um ambiente criogênico. Eles construíram um pequeno congelador modular chamado "Ice Cube" para testar como os materiais e as partes mecânicas de seu instrumento se comportam conforme eles esfriam até quinze Kelvin. Este passo é crítico porque o frio extremo faz com que os materiais se contraiam, o que poderia desalinhar o delicado posicionamento dos espelhos. A equipe planeja usar este congelador para testar diferentes formas de montar a óptica e para verificar se seus sistemas de controle ainda podem funcionar no frio. Uma vez que tenham confirmado que os componentes podem sobreviver ao frio, eles começarão a projetar um congelador muito maior que abrigará todo o instrumento. O objetivo final é demonstrar que um nulo profundo e estável pode ser alcançado nestas baixas temperaturas, provando que a tecnologia está pronta para o ambiente espacial.

O roteiro para o experimento NICE é claro, embora o trabalho pela frente seja substancial. A equipe já provou que a ideia básica funciona e identificou as barreiras técnicas específicas que impedem uma missão espacial de escala total. Eles agora estão focados em resolver os problemas de luz estranha, faixas de cores amplas e polarização, tudo isso enquanto se preparam para o frio extremo do espaço. Se tiverem sucesso, terão fornecido a prova de conceito essencial necessária para lançar a missão LIFE, um projeto que poderia finalmente revelar os segredos de planetas que podem abrigar vida. A jornada de uma bancada de laboratório para um telescópio espacial é longa e repleta de desafios, mas a equipe do NICE mostrou que o caminho a seguir é possível, um ajuste preciso de cada vez.