الدائرة الضوئية المتكاملة تضع صائد الكواكب الخارجية في قمر صناعي مكعب

بقطر 6.5 متر، تلتقط المرآة الأساسية لتلسكوب جيمس ويب الفضائي ضوءًا أكثر من أي تلسكوب تم إطلاقه من الأرض على الإطلاق. لكن ليس كل عالم فلك لديه 10 مليارات دولار أمريكي لإنفاقها على تلسكوب فضائي. لذا، للمساعدة في خفض تكلفة علم الفلك الفضائي، يعمل الباحثون في مجلس البحوث الوطني الكندي في أوتاوا على طريقة لمعالجة ضوء النجوم على شريحة ضوئية صغيرة. قام روس تشيريتون، باحث الضوئيات هناك، وطلابه ببناء واختبار نموذج أولي لـ CubeSat باستخدام نوع جديد من الرقائق الضوئية. والهدف هو خفض الحاجز أمام دخول العلوم الفلكية باستخدام أسراب من المركبات الفضائية منخفضة التكلفة.

يقول تشيريتون، المنتسب أيضًا إلى مركز أبحاث الكم وتكنولوجيا النانو في أوتاوا: “نأمل في تمكين التلسكوبات الفضائية الأصغر حجمًا من القيام بأبحاث علمية كبيرة باستخدام أدوات مدمجة للغاية على شرائح”.

تستخدم الدوائر الضوئية المتكاملة (PICs) الضوء بدلاً من الكهرباء لمعالجة المعلومات، وهي تُستخدم على نطاق واسع قذف تريليونات وتريليونات من البتات حول مراكز البيانات. ولكن في الآونة الأخيرة فقط بدأ علماء الفلك في دراسة كيفية استخدامها لتوسيع حدود ما يمكن تعلمه عن الكون.

تعاني التلسكوبات الأرضية من الغلاف الجوي للأرض، حيث يؤدي الاضطراب إلى تشويش الضوء الوارد، مما يجعل من الصعب تركيزه على شريحة الكاميرا. في الفضاء الخارجي، يمكن للتلسكوبات أن تنظر إلى الأجسام الخافتة للغاية ذات الأطوال الموجية غير المرئية دون تصحيح تأثير الاضطراب. هذا هو المكان الذي تهدف فيه Cheriton إلى المضي قدمًا بجرأة باستخدام مرشح PIC الذي يكتشف بصمات الغاز الدقيقة جدًا أثناء “كسوف” كوكب خارج المجموعة الشمسية يسمى العبور.

إن الدافع الرئيسي لوضع الرقائق الضوئية في الفضاء هو تقليل حجم ووزن وتكلفة المكونات، لأنه يمكن إنتاجها بكميات كبيرة في مسبك لأشباه الموصلات. يقول شيريتون: “إن الحلم هو أداة تعتمد على الألياف والرقائق فقط ولا تحتوي على أي بصريات أخرى”. يؤدي أيضًا استبدال المرشحات والعدسات والمرايا بالشريحة إلى تحسين الاستقرار وقابلية التوسع مقارنة بالأجزاء البصرية العادية.

أثبتت الأقمار الصناعية CubeSats، وهي أقمار صناعية غير مكلفة وصغيرة وموحدة، أنها وسيلة فعالة من حيث التكلفة لنشر حمولات الأجهزة الصغيرة. يقول تشيريتون: “إن الطبيعة المدمجة لـ PICs هي تطابق مثالي لـ CubeSats لدراسة أنظمة الكواكب الخارجية الساطعة، وليس لدى جيمس ويب الوقت الكافي للتحديق فيها”.

مقابل تكلفة إجمالية للمهمة تقل عن مليون دولار – مقارنة بـ 10 مليارات دولار التي كلفها ويب – يمكن لمهمة CubeSat النهائية أن تحدق في نجم لعدة أيام إلى أسابيع بينما تنتظر عبور الكوكب مجال الرؤية. بعد ذلك، سيبحث عن تغييرات طفيفة في طيف النجم ترتبط بكيفية امتصاص الغلاف الجوي للكوكب للضوء، وهو دليل واضح على وجود غازات ذات أصل بيولوجي.

التحليل الطيفي الأصغر

ولإثبات صحة المفهوم، قامت Cheriton بتوجيه فريق من الطلاب الجامعيين الذين أمضوا ثمانية أشهر في تصميم ودمج الموافقة المسبقة عن علم في منصة 3U CubeSat المخصصة (10 سم × 10 سم × 30 سم). أثبت مستشعر الدائرة الضوئية الخاص بنيتريد السيليكون أنه قادر على اكتشاف بصمات الامتصاص لثاني أكسيد الكربون₂ في الضوء الوارد.

في تصميمها، يتم تركيز الضوء الذي يدخل إلى عدسة CubeSat المتوازية في الألياف ثم يتم دفعه إلى الشريحة الضوئية. يدخل في مجموعة محفورة من أدلة الموجات التي تتضمن مرنانًا حلقيًا. هنا، تزداد شدة الضوء الذي له مجموعة محددة من الأطوال الموجية خلال رحلات متعددة حول الحلقة، ثم يتم إخراجه إلى الكاشف. ونظرًا لأن عددًا قليلًا فقط من الأطوال الموجية المختارة تتداخل بشكل بناء – تلك التي يتم اختيارها لتتناسب مع طيف امتصاص الغاز – فإن الحلقة تعمل بمثابة مرشح يشبه المشط. بعد مرور الضوء عبر الرنان الحلقي، يتم تمرير الإشارة من الدليل الموجي إلى ألياف الإخراج وإلى كاميرا متصلة بجهاز كمبيوتر Raspberry Pi للمعالجة. ولذلك فإن كثافة البكسل الواحد تكون بمثابة قراءة لوجود الغاز.

ينتقل الضوء عبر دليل موجي على دائرة متكاملة فوتونية.تيسيركت

نظرًا لأنه مبني على شريحة، يمكن مضاعفة إرسال المستشعر لمراقبة عدة أشياء أو استشعار غازات مختلفة في وقت واحد. بالإضافة إلى ذلك، فإن كل الضوء الساقط على بكسل واحد يعني أن الإشارة أكثر حساسية من مقياس الطيف التقليدي، كما يقول شيريتون. علاوة على ذلك، فبدلاً من البحث عن القمم في نطاق كامل، تبحث التكنولوجيا عن مدى تطابق طيف الامتصاص مع غاز معين، وهي عملية أكثر كفاءة. ويقول: “إذا كان هناك شيء ما في الفضاء، فلن ترغب في إرسال غيغابايت من البيانات إلى المنزل إذا لم تكن مضطرًا إلى ذلك”.

لا يزال السفر إلى الفضاء بعيدًا جدًا بالنسبة إلى CubeSat الفلكي. التصميم الحالي لا يستخدم المكونات المؤهلة للمساحة. لكن طلاب شيريتون اختبروه في المختبر بحثًا عن الضوء الأحمر (635 نانومتر) وثاني أكسيد الكربون₂ في خلية غازية. استخدموا كمبيوتر “المحطة الأرضية” لنقل جميع الأوامر واستقبال جميع النتائج، ولرصد الخلايا الكهروضوئية وجمع البيانات من أجهزة استشعار التحكم في الطيران الموجودة على متن CubeSat.

بعد ذلك، يخطط الفريق لاختبار ما إذا كان المستشعر الخاص بهم يمكنه اكتشاف الأكسجين باستخدام شريحة نيتريد السيليكون، وهي مادة تم اختيارها لشفافيتها بالنسبة للطول الموجي للغاز البالغ 760 نانومتر. إن النجاح سيتركهم في وضع جيد لتحقيق ما يسميه تشيريتون الإنجاز الضخم التالي لعلماء الفلك: البحث عن كوكب شبيه بالأرض يحتوي على الأكسجين.

تم تقديم العمل في مؤتمر الضوئيات المتقدم Optica (الجمعية البصرية الأمريكية سابقًا) في يوليو.