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

为了寻找一个像我们这样的世界，天文学家必须在遥远恒星的耀眼光芒中寻找隐藏的微弱光辉。这就是寻找系外行星的基本挑战：恒星比它所拥有的行星亮数百万倍，使得行星几乎无法被直接观测到。解决这一问题最有效的方法之一被称为零值干涉术（nulling interferometry）。想象两台望远镜作为一个单一仪器协同工作，收集来自恒星的光，并以一种让星光波相互抵消的方式进行组合，就像池塘中的两个波纹相遇并使水面平复一样。如果抵消得完美无缺，恒星就会消失，只留下任何绕行行星发出的微弱光线。然而，实现这种完美的抵消需要极高的精度，特别是在观察中红外光谱部分时，因为行星自身的辐射热量在这一波段最为明亮。为了达到必要的灵敏度，整个仪器必须被冷却到接近绝对零度的温度，而这种条件会引入新的物理挑战，因为材料会发生收缩和位移。

在苏黎世瑞士联邦理工学院，一个研究小组正在建造一个名为“零值干涉低温实验”（NICE）的实验室测试平台，以证明这项困难的技术是可以实现的。他们的目标是为LIFE任务做准备，这是一个旨在搜寻宜居世界的未来空间天文台。在最新的报告中，该团队描述了他们如何成功演示了将星光抵消到十万分之一水平的能力，但仅限于单一颜色和单一偏振态。虽然这是该任务的关键阈值，但仍未达到最终空间仪器所需的完整宽带和偏化无关的要求。他们使用了一个模拟最终空间仪器的装置实现了这一点，但他们首先是在室温下进行的，以确保基本概念可行，然后再尝试更困难的任务——将整个系统冷却到15开尔文（约为零下258摄氏度）。研究人员发现，虽然他们可以在单一颜色下达到所需的黑暗度，但将这种性能扩展到广泛的颜色范围和不同的光偏振时，暴露出了一些必须在空间任务飞行前解决的顽固障碍。

该实验围绕着一个双束干涉仪构建，这是一种将激光束分成两条路径然后重新组合的装置。在NICE的设置中，光线通过一系列反射镜和透镜传输，并由一个复杂的控制系统引导，该系统不断测量光束的位置并进行微调，以保持其完美对齐。研究人员使用了一种特殊的纤维光缆来过滤光线，允许最纯净、最均匀的波通过到探测器。这种过滤至关重要，因为它消除了会导致星光无法完全抵消的任何杂乱的光波畸变。在最初的室温测试中，团队成功创造了一个足够深的“零值”（即黑暗点），达到了LIFE任务的要求，但仅针对单一且狭窄的颜色。他们还展示了系统可以维持这种黑暗状态一小段时间，证明了该概念的可行性。

然而，通往工作空间望远镜的道路充满了只有在系统被推向极限时才会出现的复杂情况。研究人员发现，他们目前的纤维光缆在阻挡不需要的光模式方面并不完美。尽管主光束通过得很干净，但一些杂散光会从光缆的外层泄漏出来，产生微弱的背景光，从而阻止星光被完全抵消。这种泄漏非常细微，只有在他们试图达到最深层次的黑暗时才会显现。团队测试了几种不同的纤维材料和涂层以阻止这种泄漏，包括奇异玻璃和特殊的液态金属涂层，但这些尝试都没有完全解决问题。他们发现，虽然改进设备的对齐可以减少进入光纤的杂散光，但这并不能解决底层的模式泄漏问题，实际上反而降低了系统的允许公差。

另一个主要障碍是光本身的颜色。LIFE任务需要观测广泛的红外颜色（从4到18微米），以检测生命的化学特征。NICE团队发现，虽然他们可以抵消一种特定的颜色，但要在广泛的光谱范围内保持完美的抵消是非常困难的。这是因为不同的颜色在经过仪器中的玻璃和其他材料时，传播速度略有不同，导致它们彼此脱节。研究人员建立了一个模型来预测这会产生多少误差，并发现玻璃组件的制造公差需要极其严苛，误差要小于人类头发的宽度。他们目前正在开发一种机械装置，可以通过微量移动一块玻璃来修正这种时间误差，但尚未实现跨宽带颜色的深层零值。

团队还研究了光的偏振（即描述光波振动方向的特性）如何影响抵消效果。由于恒星和行星发射的光在各个方向上都在振动，仪器必须能够同样好地抵消两种类型的振动。研究人员测量了两束光的偏振，并发现镜片的角度差异会导致光在每条路径中产生略微不同的振动。这种差异虽然微小，但足以降低抵消的质量。他们确定了延迟线系统中的一个特定反射镜是主要原因，并修正了其对齐，从而改善了结果。然而，他们仍需确定剩余的差异是否足够小，以满足任务的严格要求，或者是否需要构建一种新的机制来主动修正偏振。

展望未来，研究人员正准备将他们的实验从室温转移到低温环境。他们建造了一个名为“冰块”（Ice Cube）的小型模块化冷冻箱，用于测试其仪器的材料和机械部件在冷却到15开尔文时的表现。这一步至关重要，因为极端寒冷会导致材料收缩，这可能会破坏精密反射镜的对齐。团队计划利用这个冷冻箱来测试光学元件安装的不同方式，并验证其控制系统在寒冷环境下是否仍能正常运行。一旦确认组件可以在寒冷环境下生存，他们将开始设计一个更大的冷冻箱来容纳整个仪器。最终目标是证明在这些低温度下可以实现深层且稳定的零值，从而证明该技术已为空间环境做好准备。

NICE实验的发展路线图是清晰的，尽管前方的任务非常艰巨。团队已经证明了基本构想是可行的，并识别出了阻碍大规模空间任务的具体技术壁垒。他们现在的重点是解决杂散光、宽颜色范围和偏振问题，同时为应对空间的极端寒冷做准备。如果他们成功，他们将为启动LIFE任务提供必要的概念验证，这一项目可能会最终揭示可能孕育生命的行星之谜。从实验室台面到空间望远镜的旅程漫长且充满挑战，但NICE团队已经表明，通过每一次精确的调整，前进的道路是可能的。