LIGO receberá um upgrade quântico

Os detectores de ondas gravitacionais estão indo para o quantum.

Uma reforma planejada do Observatório Avançado de Ondas Gravitacionais com Interferômetro a Laser, LIGO, baseia-se em técnicas quânticas refinadas, anunciaram cientistas do LIGO em 14 de fevereiro. Essa atualização de US $ 35 milhões poderia permitir que os cientistas capturassem uma onda gravitacional todos os dias, em média. A atual contagem de 11 eventos de ondas gravitacionais do LIGO pode ser superada em uma única semana, disseram pesquisadores do Ligo em uma entrevista coletiva na reunião anual da Associação Americana para o Avanço da Ciência.

Começando em 2024, o detector acelerado, conhecido como Advanced LIGO Plus, buscará uma regra quântica, o princípio da incerteza de Heisenberg, para melhorar a capacidade da máquina de detectar ondulações no espaço-tempo. O princípio da incerteza de Heisenberg afirma que é impossível medir com precisão certas propriedades, como a posição e o momento de um objeto, ao mesmo tempo.

No LIGO, isso se traduz em um dar e receber na luz que os cientistas monitoram para detectar ondas gravitacionais. Em cada um dos dois detectores do observatório, localizados em Livingston, Louisiana, e em Hanford, Washington, a luz laser oscila para frente e para trás dentro de dois braços de 4 quilômetros de comprimento dispostos em um “L”. Para determinar se uma onda gravitacional está passando, os cientistas medem o brilho da luz onde os braços se encontram e os feixes se recombinam (SN: 3/5/16, p. 22).

LIGO Hanford: vista aérea

Devido à mecânica quântica, essa luz flutua de duas maneiras: em sua fase, o tempo da onda de luz; e em sua amplitude, qual a intensidade da luz. Essa variação atrapalha as medições do LIGO, dificultando a detecção dos sinais sutis de uma onda gravitacional. Assim, na próxima rodada de operação do LIGO, a ser iniciada em abril, os pesquisadores usarão a primeira luz quântica “espremida”, na qual as flutuações na fase de luz são diminuídas. Como resultado, o LIGO capturará melhor ondas de freqüências mais altas – ondulações que teriam um tom mais alto se convertidas em ondas sonoras.

“Isso é emocionante, mas vem com uma penalidade”, disse o físico Michael Zucker, da Caltech, e do MIT LIGO Laboratory, em entrevista coletiva. Flutuações na potência da luz aumentam, o que dificulta a medição de ondas gravitacionais de baixa frequência. “Isso não desculpa você do princípio da incerteza de Heisenberg.”

Mas no Advanced LIGO Plus, os cientistas usarão um sistema que fará o melhor dos dois mundos, espremendo a luz em um sentido para ondulações de menor frequência e outro para sinais de frequência mais alta, para melhorar o desempenho geral da máquina. “Esse é mais um passo na complexidade”, diz o físico Hartmut Grote, da Universidade de Cardiff, no País de Gales. Grote ajudou a desenvolver técnicas de compressão de luz em um detector de ondas gravitacionais menores chamado GEO 600, localizado perto de Hannover, na Alemanha.

Espera-se que outro detector na Índia, chamado LIGO-India, ative o mesmo tempo que o Advanced LIGO Plus, e empregará as mesmas técnicas quânticas.

Esta animação ilustra como funcionam os observatórios gêmeos do LIGO. Um observatório é em Hanford, Washington, o outro em Livingston, Louisiana. Cada um abriga um interferômetro de grande escala, um dispositivo que usa a interferência de dois feixes de luz laser para fazer as medições de distância mais precisas do mundo.
A animação começa com uma representação simplificada do instrumento LIGO. Um raio laser de luz é gerado e direcionado para um divisor de feixe, que o divide em dois feixes separados e iguais. Os feixes de luz viajam perpendicularmente a um espelho distante, com cada braço do dispositivo sendo de 4 quilômetros de comprimento. Os espelhos refletem a luz de volta ao divisor de feixe, repetindo esse processo 200 vezes.
Quando as ondas gravitacionais passam através deste dispositivo, elas fazem com que o comprimento dos dois braços se estique e se esprema alternadamente em quantidades infinitesimais, tremendamente exageradas aqui para visibilidade. Esse movimento faz com que o feixe de luz que atinge o detector pisque.
A segunda metade da animação explica a oscilação, e é aí que entra a interferência da luz. Depois que os dois feixes refletem os espelhos, eles se encontram no divisor de feixes, onde a luz é recombinada em um processo chamado interferência. Normalmente, quando não há ondas gravitacionais, a distância entre o divisor de feixe e o espelho é controlada com precisão, de modo que as ondas de luz são mantidas fora de fase uma com a outra e se anulam mutuamente. O resultado é que nenhuma luz atinge os detectores.
Mas quando as ondas gravitacionais passam pelo sistema, a distância entre os espelhos terminais e o divisor de feixe alonga-se em um braço e ao mesmo tempo encurta o outro braço de tal maneira que as ondas de luz dos dois braços entram e saem do mesmo. fase um com o outro. Quando as ondas de luz estão em fase umas com as outras, elas se juntam construtivamente e produzem um feixe luminoso que ilumina os detectores. Quando estão fora de fase, cancelam-se e não há sinal. Assim, as ondas gravitacionais de um grande evento cósmico, como a fusão de dois buracos negros, farão com que o sinal pisque, como visto aqui.
Ao digitalizar e registrar os padrões específicos de sinais que atingem os detectores LIGO, os pesquisadores podem analisar o que vêem e comparar os dados com os modelos computacionais de sinais de ondas gravitacionais previstos.
Os efeitos das ondas gravitacionais no instrumento LIGO foram muito exagerados neste vídeo para demonstrar como ele funciona. Na realidade, as mudanças nos comprimentos dos braços do instrumento são de apenas 1/1000 do tamanho de um próton. Outras características do LIGO, como a excelente estabilidade de seus espelhos, também contribuem para sua capacidade de medir com precisão as distâncias. De fato, o LIGO pode ser considerado o mais preciso “governante” do mundo.

Com informações da UK Research and Innovation. US-UK-Australia funding to improve global gravitational wave network. February 15, 2019.