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

Os astrônomos buscam há muito tempo ver o universo com olhos mais aguçados, levando ao limite o que seus telescópios podem resolver. Para fazer isso, eles frequentemente combinam a luz de múltiplos telescópios, uma técnica chamada interferometria, que atua como um espelho único e gigante. No entanto, a forma tradicional de fazer isso depende de lentes e espelhos de vidro volumosos, que são pesados, difíceis de alinhar perfeitamente e propensos a perder luz ao longo do caminho. Nos últimos anos, uma nova abordagem surgiu que trata a luz não como um feixe ricocheteando em grandes superfícies, mas como um sinal viajando através de canais microscópicos minúsculos esculpidos diretamente no vidro. Este campo, conhecido como astrofotônica, promete reduzir instrumentos complexos ao tamanho de um chip, oferecendo maior estabilidade e precisão. O desafio tem sido provar que essas estruturas delicadas e microscópicas podem sobreviver às condições severas de um observatório real e desempenhar tão bem quanto seus homólogos tradicionais e massivos.

Uma equipe de pesquisadores trabalhando no projeto NAIR-APREXIS agora forneceu evidências convincentes de que essa abordagem microscópica está pronta para o uso profissional. Eles construíram e testaram com sucesso vários novos tipos de instrumentos usando uma técnica chamada inscrição a laser ultrarrápida, onde um laser poderoso escreve pequenos caminhos de condução de luz diretamente dentro de blocos de vidro. O trabalho deles demonstra que esses chips de vidro podem não apenas combinar a luz de estrelas distantes com extrema precisão, mas também reorganizar a luz de um telescópio para criar mapas detalhados de planetas e estrelas. A equipe já testou seus dispositivos em telescópios reais na Califórnia e está se preparando para testar um novo sistema no Chile em 2027. Esses testes mostram que essas ferramentas minúsculas podem capturar a luz estelar tênue com alta eficiência e permanecer estáveis por longos períodos, abrindo caminho para uma nova geração de instrumentos astronômicos compactos e de alto desempenho.

O primeiro grande sucesso do projeto envolveu um dispositivo projetado para combinar a luz de dois telescópios para medir o brilho e a forma das estrelas. Os pesquisadores construíram este instrumento usando um tipo especial de vidro chamado Infrasil, que é transparente à luz infravermelha usada para estudar objetos frios no espaço. Eles usaram sua técnica a laser para esculpir uma rede de canais microscópicos dentro do vidro que dividem e recombinam a luz das estrelas. Quando testaram este dispositivo no CHARA Array, uma coleção de seis telescópios na Califórnia, os resultados foram impressionantes. O instrumento provou ser notavelmente estável, mantendo seu desempenho ao longo de horas de observação. Ele foi capaz de medir os padrões de interferência das estrelas com uma precisão de um por cento, um nível de precisão exigido para descobertas científicas sérias. Mais importante ainda, o dispositivo foi eficiente, permitindo que mais de quarenta por cento da luz estelar passasse para o detector, e pôde detectar estrelas tão tênues quanto magnitude cinco sem a necessidade de equipamentos extras para estabilizar a luz. Este sucesso mostrou que um pequeno bloco sólido de vidro poderia substituir sistemas ópticos complexos e volumosos, entregando uma estabilidade superior.

Além de simplesmente combinar a luz, a equipe também está desenvolvendo ferramentas para transformar a imagem borrada de uma estrela ou planeta em um mapa detalhado de luz e cor, uma capacidade conhecida como espectroscopia de campo integral. Para alcançar isso, eles estão criando um novo tipo de cabo de fibra óptica que contém mais de cem núcleos minúsculos, cada um atuando como um pixel separado para capturar a luz de uma parte diferente do céu. Um grande obstáculo em tais designs é evitar que a luz de um núcleo vaze para o vizinho, o que desfocaria a imagem. Ao usar um design heterogêneo onde os núcleos têm tamanhos ligeiramente diferentes, os pesquisadores conseguiram suprimir esse vazamento para um nível onde menos de uma parte em mil da luz atravessa para o outro lado. Eles estão atualmente construindo um sistema completo que inclui um dispositivo escrito a laser para reorganizar esses núcleos em uma linha, alimentando um espectrógrafo. Este sistema está programado para ser testado em um telescópio no Chile em 2027, visando ajudar astrônomos a detectar e estudar planetas orbitando outras estrelas.

O projeto também explorou como tornar os próprios instrumentos ainda menores e mais integrados. Os pesquisadores imprimiram componentes ópticos tridimensionais minúsculos diretamente nas pontas de cabos de fibra óptica usando um processo chamado polimerização de dois fótons. Esses componentes atuam como espectrógrafos em miniatura, dividindo a luz em suas cores para analisar a composição química de objetos celestes. Cada dispositivo tem menos de um milímetro de tamanho, mas consegue expandir, colimar e dispersar a luz tudo dentro de uma única peça sólida de material. Em testes de laboratório, esses espectrógrafos minúsculos alcançaram um poder de resolução de cerca de trinta, o que significa que podiam distinguir entre cores próximas, e transmitiram mais de oitenta por cento da luz. Este nível de integração sugere que futuros instrumentos poderiam ser incrivelmente leves e não exigiriam alinhamento, pois as partes ópticas são permanentemente fundidas.

Outro desenvolvimento inovador envolve a criação de sensores minúsculos em forma de pirâmide usados para medir a qualidade da visão do telescópio. Tradicionalmente, essas pirâmides são feitas de vidro e requerem polimento caro e difícil para alcançar bordas perfeitamente nítidas. A equipe usou impressão óptica 3D para criar essas pirâmides, que têm apenas alguns milímetros de largura. Suas medições mostraram que essas pirâmides impressas têm suavidade de superfície e nitidez de borda que igualam ou até excedem a qualidade das pirâmides de vidro fabricadas tradicionalmente. Por serem tão pequenas, elas também introduzem uma forma única de filtragem que poderia melhorar a forma como os astrônomos medem a turbulência atmosférica. Testes iniciais em um banco de testes de óptica adaptativa confirmaram que esses sensores impressos funcionam conforme o previsto, abrindo as portas para sensores de frente de onda mais baratos e versáteis para futuros telescópios.

Talvez a validação mais significativa desta tecnologia tenha vindo de um estudo de longo prazo de um sensor instalado no Large Binocular Telescope. Este sensor, que utiliza um anel de pequenas lentes impressas para ajudar a focar a luz em uma fibra, operou no mundo real por seis anos. Durante este tempo, foi exposto a variações de temperatura, umidade, vibração e o movimento constante do telescópio. Apesar dessas condições severas, o sensor continuou funcionando perfeitamente, sem apresentar sinais de degradação ou desvio em seu desempenho. Este registro de seis anos prova que esses componentes ópticos impressos em 3D são robustos o suficiente para sobreviver ao ambiente exigente de um observatório a longo prazo. Isso confirma que a tecnologia não é apenas uma curiosidade de laboratório, mas uma solução viável para o futuro da instrumentação astronômica, oferecendo um caminho para instrumentos menores, mais estáveis e capazes de revelar o universo com uma clareza sem precedentes.