Será que esta nova técnica ousada pode aumentar a detecção de ondas gravitacionais?

Ondas gravitacionais: artista

Uma ilustração artística de dois buracos negros espiralando juntos, criando ondas gravitacionais no processo. (Crédito da imagem: NASA)

As ondas gravitacionais que podemos detectar aqui na Terra são geradas pelos eventos mais energéticos do cosmos, desde a colisão de buracos negros até a fusão de estrelas de nêutrons.

Para detectar essas ondulações espaço-tempo, que viajaram bilhões de anos-luz em alguns casos, os cientistas devem construir alguns dos equipamentos mais sensíveis que o mundo já viu. Mas a própria sensibilidade dessa engrenagem significa que vibrações, turbulência e até mesmo moléculas de gás em nossa atmosfera podem abafar até mesmo os mais poderosos onda gravitacional sinais em um crescendo de ruído de fundo.



Soluções engenhosas de engenharia são, portanto, necessárias para extrair o sinal fraco das ondas gravitacionais do ruído. Em nova pesquisa publicada na revista Cartas de revisão física , os físicos descrevem um novo método potencialmente poderoso que poderia, teoricamente, ser usado para remover um componente-chave do ruído dos detectores de ondas gravitacionais e, ao fazer isso, remover a necessidade de construir câmaras de vácuo complexas e caras. [A busca por ondas gravitacionais (Galeria)]

Um negócio sensível

Em setembro de 2015, o primeiro sinal de onda gravitacional histórico, causado por dois buracos negros em colisão, foi detectado pelo Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO), um projeto que opera dois detectores - um em Washington e outro na Louisiana.

Essa detecção foi obtida usando poderosos 'interferômetros' que podem detectar distorções minúsculas no espaço-tempo. Os prédios gêmeos LIGO em forma de L medem 2,5 milhas (4 quilômetros) ao longo de cada braço e consistem em câmaras de vácuo altamente eficientes através das quais os lasers e todas as ópticas são direcionados. Com base no princípio dos interferômetros de Michelson, do famoso experimento Michelson-Morley em 1887, a luz do laser é direcionada de uma extremidade do L para um divisor de feixe na interseção. A luz do laser dividido é então refletida para frente e para trás ao longo dos túneis e, em seguida, pode convergir mais uma vez na interseção, após os fótons terem viajado 700 milhas (1.120 km).

Quando os dois feixes de laser são recombinados, eles se cancelam, pois ambos viajaram exatamente a mesma distância ao longo de seus respectivos túneis; as ondas de luz laser são ajustadas com precisão para estar fora de fase e, portanto, interferem destrutivamente umas com as outras. No entanto, se uma onda gravitacional viajar pelo nosso planeta, um dos braços do detector irá distorcer ligeiramente , fazendo com que um dos feixes percorra uma distância um pouco maior ou menor, criando uma pequena diferença de fase. O ajuste fino é desequilibrado, as ondas interferem construtivamente e um sinal é gravado. É como um fio de viagem de alta tecnologia para ondas gravitacionais. E as ondulações causam um pequeno flutuação na distância; O LIGO pode detectar uma mudança no comprimento do braço milhares de vezes menor que a largura de um próton.

Como esse sinal é muito fraco, os físicos devem garantir que as fontes de ruído sejam reduzidas ao mínimo. Assim, todo o sistema é encerrado dentro de uma câmara de vácuo (para remover fontes de ruído, como turbulência do ar, ondas sonoras e moléculas de gás), e os espelhos e outras ópticas são protegidos de outras fontes de vibrações, como ondas sísmicas e até mesmo nas proximidades tráfego.

'O principal desafio nos tubos de vácuo LIGO é manter a pressão baixa; precisamos que seja cerca de um trilhão de vezes menos do que a pressão atmosférica ', disse Rana Adhikari, membro da equipe do LIGO, professora de física do Instituto de Tecnologia da Califórnia em Pasadena, que não estava envolvida no novo estudo. 'Isso é relativamente fácil em uma configuração de laboratório pequeno e de alta qualidade, mas extremamente desafiador para um tubo de 4 quilômetros de comprimento.'

De 2010 a 2015, o LIGO passou por atualizações significativas de detectores para reduzir distorções em seus espelhos e até mesmo vibrações em escala molecular no sistema que mantinha os espelhos ultraprecisos isolados do ruído. Após esta atualização, a sensibilidade do 'Advanced LIGO' (ou aLIGO) era tal que, após uma pesquisa de 13 anos, as ondas gravitacionais foram finalmente descobertas. O Advanced LIGO agora é acompanhado pelo detector Advanced Virgo, localizado perto de Pisa, Itália, e parcerias com mais detectores internacionais estão sendo planejadas. [ Caçando ondas gravitacionais: o projeto de interferômetro a laser LIGO em fotos ]

As instalações do Observatório de Ondas Gravitacionais com Interferômetro a Laser (LIGO) em Louisiana. Outro detector LIGO opera no estado de Washington.

As instalações do Observatório de Ondas Gravitacionais com Interferômetro a Laser (LIGO) em Louisiana. Outro detector LIGO opera no estado de Washington.(Crédito da imagem: Colaboração LIGO)

Outra maneira?

Um dos maiores componentes dos detectores de ondas gravitacionais atuais é a câmara de vácuo onde estão alojadas todas as ópticas do interferômetro - um componente que, de acordo com o novo estudo, poderá ser removido de futuros interferômetros de ondas gravitacionais.

'O que demonstramos em nosso artigo foi um interferômetro de dupla fenda livre de turbulência, que não é exatamente ideal para detecção de ondas gravitacionais, mas o mecanismo que produz a interferência livre de turbulência pode teoricamente Ser aplicado a algum interferômetro ', disse o autor principal Thomas Smith, um pós-graduado da Universidade de Maryland, Condado de Baltimore (UMBC).

“Nossos passos futuros são olhar para aqueles interferômetros que são ideais para detecção de ondas gravitacionais por seu layout e ver se podemos aplicar esse mecanismo a eles”, acrescentou Smith. 'Poderíamos, teoricamente, ter um detector de ondas gravitacionais ao ar livre.'

No estudo, Smith e Yanhua Shih, professor de física também da UMBC, argumentam que as propriedades quânticas da luz podem ser usadas como uma ferramenta poderosa e, potencialmente, revolucionária para lidar com o ruído do interferômetro e detectar até mesmo os sinais de ondas gravitacionais mais fracos. .

Física estranha

A configuração experimental proposta por Smith e Shih é baseada em um experimento de dupla fenda de 1801, desenvolvido pelo físico inglês Thomas Young para demonstrar a teoria ondulatória da luz. Posteriormente, foi usado para demonstrar o dualidade onda-partícula conceito em mecânica quântica no início do século XX. Em sua forma mais básica, o experimento consiste em uma fonte de luz que ilumina uma placa, que possui duas fendas para a passagem da luz. Atrás da placa está uma tela. Conforme a luz passa pelas fendas, as ondas interferem de forma construtiva e destrutiva, criando um padrão clássico de faixas claras e escuras na tela.

Mas e se você disparasse apenas um fóton nas fendas? Bem, pela estranheza da física quântica, esse fóton é tão provável de viajar pela fenda A quanto pela fenda B e, portanto, pode interferir com em si para criar um padrão de interferência na tela. (Para uma explicação detalhada, leia este artigo clássico do Space.com.) Esta é uma demonstração útil da física quântica, mas seria inútil em um detector de ondas gravitacionais; fótons únicos serão afetados pela turbulência do ar, então os caminhos para a fenda A e a fenda B irão variar, desordenando a fase dos fótons e obscurecendo qualquer padrão de interferência.

Assim, Smith e Shih sugeriram que, em vez da interferência de um fóton, padrões de interferência de dois fótons podem ser medidos, e o ruído que confunde o padrão de interferência de um fóton simplesmente desaparecerá da equação. Muitos dos detalhes por trás desse método estão enterrados em matemática complexa, mas ele pode fornecer uma solução surpreendentemente elegante para interferômetros a laser, disseram os pesquisadores.

A interferência de dois fótons 'é uma espécie de novo conceito na física nas últimas décadas e parece estar se consolidando', disse Smith ao Space.com. 'Você pode ter dois caminhos potenciais para os dois fótons viajarem. E quando você examina seus dois detectores aproximadamente no mesmo local, esses dois caminhos potenciais para os dois fótons se sobrepõem. E, por causa dessa sobreposição, ambos os caminhos potenciais experimentam a mesma turbulência, as mesmas mudanças de fase. E, como estão experimentando as mesmas mudanças de fase, o padrão de interferência não é afetado ... Dentro da matemática, a turbulência é cancelada. '

Os pesquisadores até demonstraram esse método com um experimento de mesa incorporando uma fonte de luz laser, fendas duplas e uma torradeira para criar turbulência de ar. Quando o forno é ligado, o padrão clássico de interferência desaparece abruptamente; a turbulência do ar interrompe os fótons, impedindo a ocorrência de interferência. Mas se você posicionar cuidadosamente dois detectores para medir precisamente o padrão de interferência de dois fótons e, em seguida, ligar o forno, o padrão de interferência persiste como se não houvesse turbulência nenhuma.

'O padrão de interferência clássico desapareceu [quando o forno foi ligado], mas o padrão de interferência que medimos a partir da correlação de flutuação de intensidade neste interferômetro livre de turbulência permaneceu em quase 100 por cento - ainda muito claro', disse Shih.

Nessa situação, os pesquisadores podem medir o padrão gerado quando pares de fótons interferem em si mesmos após percorrer o mesmo caminho da fonte de luz coerente para as fendas. Com efeito, esses pares de fótons experimentam exatamente a mesma turbulência durante a viagem, como dois passageiros sentados um ao lado do outro em uma montanha-russa. Claro, os dois passageiros passarão por muitas subidas, descidas, voltas e oscilações, mas chegarão ao final da viagem tendo percorrido exatamente o mesmo caminho. Como os passageiros da montanha-russa, para os pares de fótons (e o padrão de interferência que eles criam), é como se a turbulência do ar nem existisse.

Pela lógica dos pesquisadores, se esse sistema pudesse ser ampliado e de alguma forma incorporado ao sistema óptico dos interferômetros de ondas gravitacionais, esses detectores poderiam funcionar ao ar livre, e sistemas de vácuo altamente eficientes não seriam mais necessários. E uma vez que esse sistema complexo fosse removido, as possibilidades se tornariam muito excitantes.

'Poderíamos ter uma estação na superfície da Terra e outras em satélites ... Poderíamos fazer um interferômetro muito maior que seria muito mais sensível do que os que temos atualmente', disse Shih. Quanto maior o interferômetro, disse ele, mais sensível o detector se tornaria a ondas gravitacionais mais fracas e de baixa frequência. [O Universo: Big Bang até agora em 10 etapas fáceis]

Um layout simplificado do detector LIGO avançado.

Um layout simplificado do detector LIGO avançado.(Crédito da imagem: LIGO Scientific Collaboration)

Implementação difícil

Os pesquisadores enfatizaram que a interferometria livre de turbulência tem um longo caminho a percorrer antes de poder ser usada para detectores de ondas gravitacionais. Mas os cientistas das ondas gravitacionais duvidam que tubos de vácuo altamente eficientes algum dia sejam removidos dos detectores baseados em terra.

'Nossos detectores não funcionavam' ao ar livre '', disse Nicolas Arnaud, físico do experimento de Virgem, ao site Space.com por e-mail. 'Os espelhos (componentes principais do interferômetro) perderiam suas propriedades únicas, pois sua superfície seria contaminada por poeira; e as partículas de poeira seriam realmente queimadas devido ao incidente de alta potência do laser nos espelhos, danificando ainda mais sua superfície. Além disso, os feixes de laser que viajam ao longo dos braços detectores de quilômetros de extensão seriam dispersos devido ao ar, o que afetaria a sensibilidade do detector. '

Embora ele concorde que a teoria por trás da interferência de dois fótons como um método para remover a turbulência atmosférica seja interessante, Adhikari argumenta que um problema muito mais significativo é o ruído causado pela luz do laser que atinge as moléculas de gás no ar.

'Se permitirmos que a pressão fique 10 vezes maior do que nossa meta, teremos problemas com a dispersão de luz das moléculas de gás', disse Adhikari ao Space.com por e-mail. “Cada molécula pisca um pouco ao passar pelo feixe, e o movimento estocástico [caótico] de muitas moléculas individuais faz um ruído em nosso feixe. É como encobrir o 'chilrear' das ondas gravitacionais com um chiado.

'Embora eu imagine que sua configuração possa ser usada para reduzir o ruído devido ao movimento turbulento do ar, ela também teria que reduzir a cintilação estocástica (não devido à turbulência) por um fator de 1 milhão para tornar a detecção de ondas gravitacionais viável,' Adhikari disse.

No entanto, na configuração de dois fótons, apenas a luz coerente criará o padrão de interferência necessário. Como essa interferência estocástica é, por definição, incoerente, Shih destacou que essa fonte de ruído também será removida dos resultados. 'Esses tipos de cintilação, em princípio, não terão nenhuma contribuição para a correlação de flutuação de intensidade', disse ele.

Embora isso possa funcionar para interferômetros pequenos, escalá-lo para uso em detectores de ondas gravitacionais 'ao ar livre' significaria que há muitos moléculas de gás sendo atingidas pela luz laser, atenuando a energia do laser e tornando-o ineficiente na detecção de ondas gravitacionais.

“O que torna a detecção de ondas gravitacionais superdesafiante é que esses sinais são extremamente fracos e podem ser cobertos por vários 'ruídos', o que os tornaria indetectáveis, a menos que esses ruídos sejam devidamente mitigados - ou mesmo cancelados ', acrescentou Arnaud.

Mas Smith e Shih não se intimidam com esses desafios práticos aparentemente intransponíveis. Eles reconhecem que qualquer aplicação prática de seu interferômetro de dois fótons para estudos de ondas gravitacionais ainda está muito longe.

'Precisamos fazer mais pesquisas', disse Shih. 'Em princípio, poderia funcionar, mas mais trabalho precisa ser feito.'

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