Intensità calcolata del coronagraph di vortice per una singola fonte simile a un punto. Credito di immagine: Grover Swartzlander. clicca per ingrandire
"Alcune persone dicono che studio l'oscurità, non l'ottica", scherza Grover Swartzlander.
Ma è una specie di oscurità che permetterà agli astronomi di vedere la luce.
Swartzlander, professore associato presso il College of Optical Sciences dell'Università dell'Arizona, sta sviluppando dispositivi che bloccano l'abbagliante luce delle stelle, consentendo agli astronomi di studiare i pianeti nei sistemi solari vicini.
I dispositivi possono anche rivelarsi preziosi per la microscopia ottica e possono essere utilizzati per proteggere la fotocamera e i sistemi di imaging dall'abbagliamento.
Il cuore di questa tecnologia è una "maschera ottica a vortice" - un sottile, minuscolo, chip di vetro trasparente inciso con una serie di gradini in un modello simile a una scala a chiocciola.
Quando la luce colpisce la maschera, rallenta più negli strati più spessi che in quelli più sottili. Alla fine, la luce viene suddivisa e sfasata in modo che alcune onde siano 180 gradi sfasate rispetto ad altre. La luce filtra attraverso la maschera come il vento in un uragano. Quando raggiunge “l'occhio” di questo tornado ottico, le onde luminose sfasate di 180 gradi si annullano a vicenda, lasciando un nucleo centrale totalmente scuro.
Swartzlander afferma che è come la luce che segue i fili di un bullone. Il passo del "bullone" ottico - la distanza tra due fili adiacenti - è critico. "Stiamo creando qualcosa di speciale in cui il tono deve corrispondere a un cambiamento nella fase di una lunghezza d'onda della luce", ha spiegato. "Ciò che vogliamo è una maschera che essenzialmente taglia questo piano, o foglio, della luce in arrivo e lo accartoccia in un fascio elicoidale continuo."
"Quello che abbiamo scoperto di recente è stupefacente dal punto di vista teorico", ha aggiunto.
"Matematicamente, è bellissimo."
I vortici ottici non sono una nuova idea, ha osservato Swartzlander. Ma non è stato fino alla metà degli anni '90 che gli scienziati sono stati in grado di studiare la fisica dietro di essa. Fu allora che i progressi negli ologrammi generati dal computer e la litografia ad alta precisione rese possibile tale ricerca.
Swartzlander e i suoi studenti laureati, Gregory Foo e David Palacios, hanno recentemente attirato l'attenzione dei media quando "Optics Letters" ha pubblicato il loro articolo su come le maschere di vortice ottico potrebbero essere utilizzate su potenti telescopi. Le maschere potrebbero essere utilizzate per bloccare la luce delle stelle e consentire agli astronomi di rilevare direttamente la luce da un pianeta dimmer da 10 miliardi di volte in orbita attorno alla stella.
Questo potrebbe essere fatto con un "coronagraph di vortice ottico". In un coronagraph tradizionale, un disco opaco viene utilizzato per bloccare la luce di una stella. Ma gli astronomi che sono alla ricerca di pianeti deboli vicino a stelle luminose non possono usare il tradizionale coronagraph perché il bagliore della luce delle stelle si diffonde attorno al disco oscurando la luce riflessa dal pianeta.
"Qualsiasi piccola quantità di luce diffratta dalla stella sta ancora per sopraffare il segnale dal pianeta", ha spiegato Swartzlander. "Ma se la spirale della maschera a vortice coincide esattamente con il centro della stella, la maschera crea un buco nero in cui non c'è luce diffusa e vedresti qualsiasi pianeta spostarsi lateralmente."
Il team UA, che includeva anche Eric Christensen del Lunar and Planetary Lab di UA, ha dimostrato due anni fa un prototipo di coronagraph di vortice ottico sul telescopio Mount Lemmon da 60 pollici dello Steward Observatory. Non sono stati in grado di cercare pianeti al di fuori del nostro sistema solare perché il telescopio da 60 pollici non è dotato di ottica adattiva che corregge la turbolenza atmosferica.
Invece, il team ha scattato foto di Saturno e dei suoi anelli per dimostrare quanto facilmente una tale maschera potesse essere utilizzata con il sistema di telecamere esistente di un telescopio. Una foto del test è online sul sito Web di Swartzlander, http://www.u.arizona.edu/~grovers.
I coronagraph di ottica vortice potrebbero essere preziosi per i futuri telescopi spaziali, come il Terrestrial Planet Finder (TPF) della NASA e la missione Darwin dell'Agenzia spaziale europea, ha osservato Swartzlander. La missione TPF utilizzerà telescopi spaziali per misurare le dimensioni, la temperatura e il posizionamento di pianeti piccoli come la Terra nelle aree abitabili di sistemi solari distanti.
"Chiediamo sovvenzioni per realizzare una maschera migliore, per aumentare davvero questa cosa e ottenere un'ottica di qualità migliore", ha affermato Swartzlander. "Ora possiamo dimostrarlo in laboratorio per i raggi laser, ma abbiamo bisogno di una maschera di ottima qualità per avvicinarci a ciò che è necessario per un telescopio".
La grande sfida sta sviluppando un modo per incidere la maschera per ottenere "un grande zero grasso di luce" nel suo nucleo, ha detto.
Swartzlander e i suoi studenti laureati stanno facendo simulazioni numeriche per determinare il passo corretto per le maschere elicoidali alle lunghezze d'onda ottiche desiderate. Swartzlander ha depositato un brevetto per una maschera che copre più di una lunghezza d'onda o colore della luce.
I fondi dell'Ufficio di ricerca dell'esercito degli Stati Uniti e la proposta 301 dello Stato dell'Arizona sostengono questa ricerca.
L'Esercito Research Office finanzia la ricerca di base in scienze ottiche, sebbene il lavoro di Swartzlander abbia anche applicazioni pratiche di difesa.
Le maschere ottiche a vortice potrebbero anche essere utilizzate in microscopia per migliorare il contrasto tra i tessuti biologici.
Fonte originale: UA News Release
