Yaşanabilir Dünyaların Tespiti için Optik Vortex Faz Maskeleri

NASA araştırmacılarından oluşan bir ekip, gelecekteki uzay gözlemevlerinin, yıldız ev sahiplerinin çok daha parlak parıltısından çok sönük, yaşanabilir dış gezegenleri seçmesi için ihtiyaç duyulan birçok büyüklükteki yıldız ışığı bastırmayı mümkün kılmaya yardımcı olabilecek yeni optik maske türleri geliştiriyor.

NASA'nın Astrofizik Bölümü'nün hedeflerinden biri, yakındaki yıldızların etrafında yaşanabilir dünyalar aramak için yakındaki güneş sistemlerinin sayımını yapmak ve sonuçta kendi güneş sistemimiz dışında yaşamın mevcut olup olamayacağını belirlemektir. Diğer yıldızlar çok uzakta olduğundan, bu sistemlerin uzaktan gözlemlerine ve özellikle de mevcut gezegenlerin spektroskopisine (yani atmosferik özelliklerini belirlemek için renk özelliklerinin incelenmesine) güvenmek zorundayız. NASA'nın gelecekteki Yaşanabilir Dünyalar Gözlemevi (HWO) misyonu, diğer yıldızların yörüngesinde dönen gezegenlerde yaşam belirtilerini aramak için özel olarak tasarlanmış ilk teleskop olacak.

Geçtiğimiz birkaç on yılda, en parlak ve genellikle en büyük ötegezegenlerin, özellikle de yıldızlarının önünden geçenlerin gözlemlenmesinde önemli ilerlemeler kaydedildi; bu, gezegenin, ev sahibi yıldızın ışığının belirli renklerini emen atmosferik bileşenlerini görmemize olanak sağladı. Ancak dış gezegenlerin çoğu bu kadar uygun bir şekilde hizalanmamıştır; Bunları tespit etmek için HWO'nun, bir dış gezegenden gelen çok küçük bir ışık parçasını, yakındaki çok parlak yıldızın ezici parıltısından ayırt edebilmesi gerekir. Örneğin, Güneşimize benzer bir yıldızın yörüngesinde dönen Dünya benzeri bir gezegen, ev sahibi yıldızın yalnızca on milyarda biri kadar parlak olacaktır. Uygun bir benzetme, bir deniz fenerinin hemen yanında uçan bir ateş böceğinin ışığıdır!

Yakındaki güneş sistemlerinde soluk, potansiyel olarak yaşanabilir dünyaları görmek için, gelen yıldız ışığını, dış gezegenden gelen çok daha küçük ışık parçasının ayırt edilebileceği ölçüde ortadan kaldırmalıyız. Maalesef teleskoplar yıldızların nokta benzeri mükemmel görüntülerini üretmiyor. Buna katkıda bulunan iki faktör (saçılma ve kırınım), yıldız ışığını bulanıklaştırıyor ve görüntüde ötegezegenlerin bulunması muhtemel olan bölgeye yayıyor.

Yıldız ışığının saçılması, teleskobun optik sistemini oluşturan aynalardaki yüzey düzensizliklerinden kaynaklanır. Bu düzensizlikler, dalga cephesi hatalarını düzeltmek için yüksek performanslı uyarlanabilir optik sistem kullanılarak azaltılabilir. Ancak mükemmel şekilde düzeltilmiş bir optik sistemle bile kırınım da azaltılmalıdır.

Kırınım, dalga teleskopun ışık toplayan aynası gibi bir açıklıktan geçerken meydana gelen bir ışık ışınının (veya su veya ses dalgaları dahil herhangi bir dalga türünün) açısal yayılmasıdır. Kırınım, yıldız ışığının odak düzlemi boyunca Airy modeli adı verilen halkalı bir ışık dağılımına yayılmasına neden olur (aşağıdaki şekle bakın). Bu Havadar desen, bir ötegezegenin yaydığı ışıktan kat kat daha parlak olabildiği için onun da kaldırılması gerekiyor.

Airy modelinin halkalarının bastırılması genellikle koronagraf olarak bilinen optik bir aletle yapılır. Koronagraf, gökbilimcilerin Güneş'i çevreleyen soluk güneş koronasını görmelerine olanak sağlamak için bir yüzyıl önce icat edildi. Diğer yıldızlara uygulandığında koronagraf, çok daha parlak yıldızların yakınındaki soluk ötegezegenleri görmemizi sağlayabilir.

Çoğu koronagrafın temel bileşeni, yıldız görüntüsünü oluşturan ışık dağılımını seçici olarak zayıflatmak veya geciktirmek için tasarlanmış, özel bir yüzey kaplamasına veya yüzey şekline sahip küçük bir cam parçası olan optik bir maskedir. Özellikle umut verici bir optik maske türü, maskenin merkezi etrafındaki azimut açısıyla orantılı olarak artan bir faz gecikmesi uygulayan optik girdap faz maskesidir (aşağıdaki şekle bakınız). Böylece maske, yıldız Airy desenine ortalandığında Airy halkaları boyunca artan gecikmeler uygular.

Bir vida dişinin sarmal yüzeyine bir şekilde benzeyen bu gecikme modeli, yıldız ışığının yıkıcı bir şekilde müdahale etmesine neden olur, öyle ki, girdap maskesinin aşağısındaki teleskop açıklığının görüntüsü yeniden görüntülendiğinde, o açıklık görüntüsünün içinde hiçbir yıldız ışığı kalmaz. Bunun yerine, yıldız ışığı yalnızca, dolu teleskop açıklığı görüntüsünün olması beklenen yerin dışında görülür; burada fotoğrafçılıkta kullanıldığı gibi, basit bir açıklık durağı ile kolayca bloke edilebilir. (Aşağıdaki şekil girdap maskesinin önündeki ve onun aşağısındaki teleskop açıklığının görüntülerini göstermektedir.) Dış gezegenden gelen ışık tipik olarak girdap maskesine merkezin dışında çarptığından, başarıyla görüntülenebileceği dedektöre ulaşmak için açıklık durağı boyunca değişmeden yayılır.

Girdap maskeleri üretmek zorludur çünkü geniş bir dalga boyu aralığındaki yıldız ışığını aynı anda reddedebilmeleri gerekir. NASA Jet Propulsion Laboratuvarı'ndaki (JPL) teknoloji uzmanlarından oluşan bir ekip, istenen özelliklere sahip optik girdap maskeleri yapmak için kullanılabilecek bir dizi farklı teknolojiyi araştırıyor. Bugüne kadar en umut verici yaklaşım, gerekli optik gecikme modelini sağlamak için özel olarak hazırlanmış bir sıvı kristal polimerin (LCP) düz bir katmanını kullanmaktır. LCP katmanını oluşturan uzun moleküler polimer zincirleri, ışığın iki polarizasyon yönünde farklı gecikmelere neden olacak şekilde özel olarak yönlendirilebilir. (Polarizasyon, yayılan bir ışık dalgasındaki elektrik alan vektörünün salınım yönünü, yani yukarı-aşağı veya sol-sağ olmasını ifade eder). Elektrik alan vektörünün uzun LCP ekseni boyunca mı yoksa dik mi olduğuna bağlı olarak ışıkta farklı gecikmeler yaşanır.

Ayrıca, LCP katmanı, uzun LCP ekseninin maskenin merkezi etrafında dairesel bir yol izlerken (merkez etrafında tam bir devrede tam moleküler rotasyonun katlarına ulaşarak) döndüğü bir modelde yerleştirilirse, istenen gecikme modeli elde edilebilir (aşağıdaki şekle bakın). Bu tür maskelerin ana avantajı, faz gecikmeleri geometrik olarak (yani tamamen geometrik bir yönelim modeliyle) indüklendiğinden, birinci dereceden dalga boyundan bağımsız olmaları ve geniş bir dalga boyu aralığı boyunca yıldız ışığını reddedebilmeleridir.

JPL ekibi kısa süre önce bu maskeleri, yapay bir "yıldızdan" gelen ışığın laboratuvarda yaklaşık milyarda bir oranında reddedilebileceği noktaya kadar geliştirdi (tek dalga boyu reddi daha da iyi), ki bu da HWO için gereken nihai 10 milyarda bir reddin büyüklüğü mertebesinde. Ekip şu anda son on faktöre ulaşmak için daha fazla maske iyileştirmesi üzerinde çalışıyor.

Ekip aynı zamanda farklı avantaj ve dezavantajlara sahip alternatif maske yaklaşımlarını da araştırıyor. Özellikle, bir cam parçasının yüzeyini vidanın sarmal dönüşüne benzeyecek şekilde şekillendirme fikrini yeniden değerlendirdiler. Bununla birlikte, bu tasarım yalnızca her biri kendi vida yüksekliğine sahip birkaç farklı cam parçası birleştirildiğinde ve yüzey şeklinde başka deformasyonlar da uygulandığında birden fazla dalga boyunda çalışacaktır. Üstelik, bu tasarım için gereken özelliklere yalnızca çok az sayıda malzemenin sahip olduğu görüldüğünden, bu teknikle hangi nihai performansın elde edilebileceği henüz belli değil. Sonuç olarak ekip, bu tür maskelerde kullanılmak üzere kendi yapay malzemelerini (yani meta malzemeleri) üretmeyi de araştırıyor. Metamalzemeler, nanopost yüksekliklerinin, genişliklerinin, şekillerinin ve aralıklarının doğada var olmayan malzeme özellikleri oluşturmak için seçilebildiği ince nanopost katmanlarıdır (aşağıdaki şekle bakınız). Bu yaklaşım çok yeni olsa da, optik girdap maskelerinin geniş bir dalga boyu aralığında çalışmasını sağlamak için gereken özelliklere sahip malzemeleri uyarlamak için kullanılabileceği düşünülebilir.

Optik girdap koronagrafları, yer tabanlı teleskoplar kullanılarak daha büyük (daha parlak) dış gezegenlerin aranmasında giderek daha popüler hale geliyor, ancak HWO gibi uzay tabanlı bir teleskopla daha sönük Dünya benzeri dış gezegenleri görmek, büyük ölçüde geliştirilmiş yıldız ışığı reddetme yeteneklerine sahip girdap maskeleri gerektirecektir. Sıvı kristal polimer yaklaşımı açık bir şekilde öncü olsa da, bu tür maskelerin de sınırlamaları var, bu nedenle diğer olasılıkların araştırılması iyi bir şey. Bu aday teknolojiler, yakınlardaki Dünya benzeri dış gezegenleri HWO ile seçebilmek ve karakterize edebilmek için gereken optik girdap maskelerinin üretilmesini sağlamak üzere önümüzdeki birkaç yıl içinde tamamen incelenecek ve test edilecek.

Ek ayrıntılar için bkz. Bu proje için NASA TechPort'a giriş.

Proje Liderleri: Eugene Serabyn, NASA Jet Tahrik Laboratuvarı, Kaliforniya Teknoloji Enstitüsü ve Dimitri Mawet, Kaliforniya Teknoloji Enstitüsü

Sponsor Kuruluş(lar): NASA Astrofizik Bölümü Stratejik Astrofizik Teknolojisi (SAT) ve Astrofizik Araştırma ve Analiz (APRA) programları.

Bu araştırmanın bir kısmı NASA (80NM0018D0004) ile sözleşme kapsamında California Teknoloji Enstitüsü Jet Propulsion Laboratuvarı'nda gerçekleştirildi.