Cientistas estão desenvolvendo novas tecnologias para “capturar” ondas gravitacionais

Ilustração RIA News.  Ondas gravitacionais da fusão de duas estrelas de nêutrons distorcem o espaço-tempo em torno delas. O LIGO é capaz de registrar ondas geradas por outras galáxias.

Por: Tatiana Pichugin. Por quase quatro anos de operação, os detectores LIGO e Virgo detectaram ondas gravitacionais a partir da confluência de dez pares de buracos negros e um par de estrelas de nêutrons. A sensibilidade máxima da instalação ainda não foi atingida. Para explorar outras fontes no Universo, procurar por relíquia do ruído de fundo, matéria escura, mergulhar no início da história do Universo, eles terão que ser seriamente modernizados – até uma reestruturação completa. Valery Mitrofanov, professor da Faculdade de Física da Universidade Estatal de Moscou – MV Lomonosov, laureado do Prêmio Estatal de Ciência e Tecnologia, chefe do grupo científico na colaboração com a LIGO, discorre sobre s novas gerações de detectores de ondas gravitacionais.

As dúvidas não impedem os trabalhos dos físicos

Em 1916, Albert Einstein propôs a teoria das ondas gravitacionais propagando-se no espaço-tempo, como ondulações na água, devido ao movimento acelerado de corpos massivos. Já que a interação gravitacional comparada com, por exemplo, a eletromagnética, é muito fraca e, diferentemente das cargas elétricas, cargas gravitacionais (massas) com diferentes sinais não existem, é difícil registrá-las.

Alguns cientistas eram céticos em relação a essa teoria. Einstein também tinha dúvidas. No entanto, os físicos tentaram detectar ondas gravitacionais. Uma vez que haja interação, ela pode ser medida. A questão é a sensibilidade do equipamento.

Em meados da década de 1960, o físico americano Joseph Weber desenvolveu uma antena detectora na forma de um bloco de alumínio. A idéia era que a onda gravitacional, que vem do espaço, estica ou comprime o disco, suas oscilações amplificam e isso pode ser medido.

“Os detectores do tipo Weber foram feitos por muitos anos nos EUA e na Itália. Até duas toneladas e meia foram feitas. Elas eram resfriadas à temperatura do hélio líquido. São caras de todos os pontos de vista”, diz Valery Mitrofanov.

Naqueles anos, ele, um estudante da Faculdade de Física da Universidade Estatal de Moscou, começou a fazer experiências com o grupo de Vladimir Braginsky. Lá eles fizeram de outra maneira: aumentaram a qualidade do sistema. Quanto maior os detectores, mais as oscilações não diminuem. Isso é menos dissipação de energia e ruído térmico.

“Weber disse que descobriu as ondas gravitacionais. Braginsky disse:” Mas nós ainda não a encontramos! “Foi assim que começou”, continua o professor.

© Foto: Daria Smirnova / Valery Mitrofanov, professor do Departamento de Física da Universidade Estatal de Moscou

Os cientistas entendem que é preciso de um longo tempo de estudo

Em 1962, os físicos soviéticos Mikhail Gertsenshtein e Vladislav Pustovoit publicaram um artigo sugerindo não um detector tipo cilindro, mas um interferômetro a laser Michelson. A mesma ideia mais tarde começou a desenvolver cientistas americanos – Rainer Weiss, do Instituto de Tecnologia de Massachusetts e Kip Thorn, em Caltech.

O feixe de laser é dividido em dois fluxos, que se movem ao longo de diferentes braços do interferômetro, que estão localizados em um ângulo reto entre si. No final do caminho, eles são refletidos dos revestimentos espelhados nas massas de teste. Os chamados cilindros pesados, suspensos como pêndulos. Em seguida, os fluxos de fótons retornam ao longo dos braços, se fundem e o sinal comum entra no fotodetector.

Onda gravitacional, entrando na instalação, estica um braço e encurta o outro. As distâncias que os fluxos de fótons percorrem não coincidem, sua fase muda e o feixe combinado dá uma imagem especial de interferência no detector de fótons.

© Ilustração da RIA Novosti O dispositivo detector de ondas gravitacionais LIGO. As medições são feitas usando luz laser, que é refletida a partir dos revestimentos de cilindros de quartzo maciços.

“Formalmente, os primeiros foram Gertsenshtein  e Pustovoit, os americanos admitem isso. Então os primeiros lasers apareceram. Eles disseram que mesmo esses detectores não funcionariam, os lasers nunca forneceriam tal estabilidade para medir. Os feixes de fótons poderiam se mover em direções diferentes, mas Vladimir deve receber crédito.” Braginsky, e suas intuições: sim, agora é irreal, mas no futuro faz sentido. E ele nos reorientou para os interferômetros a laser “, lembra Valery Mitrofanov.

Braginsky tinha boas conexões com Kip Thorn, que veio à Universidade Estatal de Moscou mais de uma vez e tornou muito amigo dele. A construção da instalação, no entanto, mesmo para a indústria soviética era muito pesada.

“Isso custava muito caro.

O sistema de vácuo era a maior parte do custo: câmeras, canos, etc. O detector custava um bilhão de dólares. Eles perguntam se o Prêmio Nobel merecidamente foi dado a Thorn, Weiss e Barish? Thorn e Weiss já eram cientistas famosos e conseguiram o dinheiro, eles disseram: “Vamos fazer isso, alocar fundos.” Eles convenceram, embora houvesse muitos adversários. Eles explicavam, o por que lhes darem dinheiro? Se nada vai sair! Aconteceu, mas quanto tempo levou? Vinte anos “, explica o cientista.

Em 1980, Weiss recebeu financiamento da National Science Foundation dos EUA para construir um protótipo de grande interferômetro. As ondas gravitacionais foram registradas pela primeira vez no final de 2015.

© Foto: Laboratório Caltech / MIT / LIGO Laboratório LIGO perto de Livingstone, Louisiana

O que limita a sensibilidade do LIGO

Nos EUA, dois detectores LIGO foram instalados a uma distância de três mil quilômetros um do outro – em Hanford e Livingstone. De 2010 a 2015, o sistema foi atualizado. Agora é chamado Advanced LIGO. Uma grande colaboração internacional de cientistas trabalha com ela, incluindo dois grupos científicos da Rússia – do Instituto de Física Aplicada da Academia Russa de Ciências (Nizhny Novgorod) e da Universidade Estatal de Moscou (Moscou).

“Vladimir Braginsky reuniu pessoas com a mesma mentalidade, estabeleceu tarefas ambiciosas e nós estávamos na vanguarda: fizemos os sistemas oscilantes mais fortes. Portanto, é natural que estejamos no LIGO”, especifica Valery Mitrofanov.

O avançado LIGO nos EUA e Virgo na Itália é a segunda geração de detectores de ondas gravitacionais. Quase idênticos a eles vão construir na Índia, para determinar mais precisamente a localização das fontes cósmicas de ondas gravitacionais. Os negócios estão se movendo lentamente devido a problemas organizacionais. Mais provavelmente, até o final do terceiro ciclo científico de observações (indicado como O3) estarão conclído.

KAGRA – Detector criogênico japonês, pertence à primeira geração. Planeja-se conectá-lo ao LIGO no final do O3 – isto é , em meado de 2021, para entrar em operação no quarto ciclo.

A sensibilidade do detector é determinada pela distância em que é capaz de detectar sinais de fusão de estrelas de nêutrons pesando 1,4 vezes a massa do sol. Agora o Advanced LIGO em Livingstone está disponível em 130 megaparsek, a magnitude é monstruosa. Por exemplo, da Terra para a estrela mais próxima a Próxima Centauri – 1.3 parsec. A sensibilidade planejada da instalação é de 200 megaparsec.

“O que agora limita a sensibilidade dos detectores? Ruído térmico em revestimentos especulares de massas de teste. Estes são cilindros de sílica fundida sob quarenta camadas de onda quântica de dielétricos com diferentes índices de refração de luz, em que a luz é quase toda refletida e carrega quase toda a energia. No limite, o coeficiente de absorção não ultrapassa 10 -6 “, – continua o professor.

A camada do espelho é apenas um quarto de um mícron, os átomos estão em movimento aleatório (movimento browniano) e o cilindro de quartzo de quarenta quilos é coletivamente balançado. Uma das maneiras de resolver o problema é encontrar um revestimento com menos dissipação de energia mecânica. Esta é a direção desenvolveida por muitos grupos científicos, mas até agora não há avanços sérios.

Flutuações do fluxo de fótons na radiação laser criam mais dois tipos de ruído: o ruído no fotodetector e o balanço do espelho. O aumento da potência óptica ajuda a lidar com o primeiro ruído. Agora LIGO está trabalhando em 200 kilowatts, está planejado – 800. A luz com compressão dependente de freqüência ajudará a enfraquecer o segundo, que será descrito abaixo.

Físicos criam o melhor pêndulo

“Em cada braço do interferômetro quatro massas de teste são colocadas, formando um pingente de quatro estágios. O espelho principal é suspenso em filamentos de quartzo, o restante – em metal. Eles precisam ser movidos. Com ajuda de forças eletrostáticas aplicadas entre a massa reativa principal e a suspensa. “conta Valery Mitrofanov.

Um sistema de proteção anti-sísmica multiestágio suprime quase todas as intervenções externas, incluindo tremores. A amplitude máxima de oscilação permitida para os espelhos devido ao ruído, – 10- 19 m. Isto é o que precisão incrível é necessária.

Massa de teste de sílica fundida em suspensões de quartzo. A qualidade dos sistemas que mais tarde se tornaram parte do detector LIGO foi estudada em tais amostras. Laboratório Valery Mitrofanov na Universidade Estadual de Moscou.

Cientistas da Universidade Estatal de Moscou demonstraram experimentalmente que é possível fazer suspensões quase monolíticas de massas de teste com um tempo de relaxamento de cinco anos. De acordo com esses desenvolvimentos, a Universidade de Glasgow (Reino Unido) criou um sistema industrial para a suspensão de espelhos no LIGO.

“Nosso professor Vladimir Borisovich Braginsky, em 1967, derivou uma equação para o limite padrão de sensibilidade quântica, mostrando até que ponto é necessário se livrar desse ruído, onde o limite é o deslocamento mínimo que pode ser medido. Tudo isso é determinado pelas leis da mecânica quântica. O limite depende de uma constante de Planck, massa, tempo de medição do sinal. Quanto maior a massa dos espelhos, menor o deslocamento será medido. Acontece, em qualquer caso, a massa deve ser aumentada “, explica o cientista sobre os princípios em que a construção se baseia em  função do detector.

Braginsky e seus colegas provaram que, no detector à temperatura ambiente, é melhor usar massas de teste de sílica fundida, em vez de safira. Os físicos russos foram os primeiros a lidar com o ruído nos revestimentos, realizaram todos os cálculos.

“Em 2001, Braginsky previu outro efeito – o surgimento da instabilidade paramétrica. As massas de repente começam a se balançar, isto é, a energia em modo óptico é bombeada para a energia das vibrações mecânicas e isso interfere nas medições. Em 2015, o LIGO descobriu esse efeito.” – diz o físico.

Luz ajuda a olhar sob o nível de ruído quântico

No LIGO, o sistema de medição aplica luz comprimida. Este é o chamado estado não-clássico, que permite medir com mais precisão a amplitude ou a fase da onda de luz. Isso não pode ser feito ao mesmo tempo devido à incerteza quântica.

A compressão da luz em fase reduz sua incerteza e ajuda a superar o nível de ruído quântico padrão no fluxo de fótons. Assim, o interferômetro mede o deslocamento dos espelhos com uma precisão ainda maior.

“Em altas frequências, nós suprimimos as flutuações de fase. Mas, quando as oscilações de amplitude aumentam, os espelhos aumentam. E quanto menor a frequência, menos o espelho balança. O que fazer? Você precisa usar compressão de luz dependente de frequência”, conclui Valery Mitrofanov.

Isso é implementado no projeto LIGO A +. Ele será colocado nos mesmos túneis com o mesmo sistema de vácuo. Substituindo as massas de teste por 100 libras, o detector detectará as fontes de ondas gravitacionais a uma distância três vezes maior e registrará 27 vezes mais eventos.

As próximas gerações de detectores estão a caminho.

Ruído térmico em espelhos e seus revestimentos podem ser reduzidos de outra maneira: por resfriamento a nitrogênio líquido ou mesmo hélio. É por isso que os detectores de terceira geração planejam fazer criogênicos – o LIGO Voyager (EUA) e o Einstein Telescope (EU). Isso está planejado para o final da próxima década.

“Nossa tarefa é entender como criar uma suspensão de baixa temperatura. Quartzo fundido não é bom, haverá grandes perdas. Silício ou safira permanecem. Nós nos concentramos em silício e estudamos com a qualidade máxima pode ser obtida para fazer a massa de teste O coeficiente de expansão térmica do silício passa pelo zero, e toda a classe de perdas a uma temperatura de 123 Kelvin desaparece. Isso é muito bom, mas também há problemas “, observa o cientista.

O que deve suspender um peso de teste? Colocar uma linha de silício soldada ao cilindro não pode, porque é um material cristalino. Especialistas estão testando a tecnologia de ligação de silicato. Cola não está presente, tudo acontece devido a ligações químicas. É importante entender quais perdas ocorrem com essa conexão e qual é a boa qualidade de todo o sistema.

Para resfriar uma massa de teste de cem a duzentos quilos, é necessário cobri-lo com material preto. Mas o fator de qualidade diminuirá imediatamente. Até agora, há menos perdas nos revestimentos de nanotubos de carbono. No entanto, o material é muito delicado.

“A próxima etapa é o desenvolvimento do detector Cosmic explorer: estes são novos sistemas de vácuo, câmaras, tubos. De que outra forma a sensibilidade pode ser aumentada? Só resta aumentar o comprimento dos braços para pelo menos dez quilômetros. A sensibilidade aumentará 2,5 vezes”, disse o físico.

© Ilustração da RIA News

Olhe para o big bang e encontre a matéria escura

O que novos cientistas esperam ver com detectores mais sensíveis? Primeiro de tudo, o processo de fusão de estrelas de nêutrons e buracos negros. Ainda há muita falta de clareza.

“Existem fontes contínuas de ondas gravitacionais: estrelas de nêutrons, pulsares, sistemas binários, quando um objeto gira em torno de outro. O sinal é mais fraco, mas contínuo. Você pode salvá-lo e alocá-lo por muito tempo”, diz Valery Mitrofanov.

“Outra fonte interessante para o LIGO é o fundo estocástico e, em particular, a radiação gravitacional, relíquia deixada desde a origem do Universo. Pode-se estudá-lo por ruído: se há uma correlação de dados de ruído entre diferentes detectores, isso significa que algo afeta ambos “- diz o cientista.

Os astrônomos sonham em registrar uma explosão de supernova para observar este evento em ondas gravitacionais, em todas as faixas eletromagnéticas e no fluxo de neutrinos.

Outra direção é o estudo das ondas gravitacionais nascidas imediatamente após o Big Bang. Mas isso requer a extrema sensibilidade dos detectores de ondas gravitacionais, o que é conseguido na melhor das hipóteses até meados do século.

Certas esperanças para a nova geração de detectores são fixadas por pesquisadores de matéria escura e energia.

Os cientistas também esperam testar a relatividade geral em campos gravitacionais muito fortes. Embora todas as experiências estejam de acordo com os cálculos, não há contradições. Mas o que acontece depois que os dois buracos negros se fundem? De repente, quaisquer desvios da teoria? Para responder a essa pergunta, a sensibilidade dos detectores não é suficiente.

A contribuição prática mais importante do LIGO é o desenvolvimento de tecnologias, o uso de invenções muito incomuns, como, por exemplo, a luz espremida. Não está excluído que no futuro os desenvolvimentos testados em detectores de ondas gravitacionais encontrem ampla aplicação.

“O LIGO é, naturalmente, uma obra de arte de todos os pontos de vista. O principal é o início da astronomia de ondas gravitacionais e multicanais, quando os objetos são examinados de uma vez por todas. Agora as idéias sobre o espaço vão mudar. Os astrônomos têm muito trabalho a fazer”, enfatiza Valery Mitrofanov.

Talvez, num futuro distante, sejam esses detectores que responderão à questão principal da humanidade: aprenderemos a administrar o espaço-tempo? Como Kip Thorn pensa sobre isso? É como mostra o filme Interstellar.

“Esta é uma questão difícil. Precisamos de energias colossais para mover algo. Mas quando Henry Hertz descobriu ondas eletromagnéticas, ele poderia ter pensado que isso levaria à invenção de telefones celulares e tudo o que temos agora?” – conclui o cientista.

Fonte: Texto traduzido por OPP do RIA NOvosti

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