Os detectores de ondas gravitacionais poderão em breve obter um grande aumento de desempenho, graças ao avanço de um novo instrumento liderado pelo físico Jonathan Richardson, da Universidade da Califórnia, em Riverside. Em um artigo de pesquisa publicado na revista Dr. ópticoRichardson e seus colegas descrevem o FROSTI, um protótipo em escala real que controla com sucesso frentes de onda de laser de alta potência dentro do Observatório de Ondas Gravitacionais com Interferômetro Laser, ou LIGO.
LIGO é um observatório que mede ondas gravitacionais – pequenas ondulações no espaço-tempo criadas por objetos massivos em aceleração, como buracos negros em colisão. Estas ondas foram as primeiras a detectá-las diretamente, fornecendo um forte apoio à teoria da relatividade de Einstein. Usando dois interferômetros laser de 4 km de comprimento localizados em Washington e Louisiana, o LIGO detecta perturbações incrivelmente pequenas, dando aos cientistas uma nova maneira de estudar buracos negros, cosmologia e matéria sob condições extremas.
O LIGO depende de espelhos que estão entre os componentes mais cuidadosamente projetados da ciência moderna. Cada espelho tem 34 cm de diâmetro, 20 cm de espessura e pesa cerca de 40 kg. Para detectar distorções pontuais menores que 1/1.000 do diâmetro de um próton, esses espelhos devem ser mantidos quase perfeitamente imóveis. Mesmo pequenas vibrações ou ruído ambiental podem abafar os fracos sinais de ondas gravitacionais que o LIGO está tentando detectar.
“No centro da nossa inovação está um novo dispositivo de óptica adaptativa projetado para remodelar com precisão as superfícies dos espelhos principais do LIGO sob uma potência de laser de mais de 1 megawatt – mais de um bilhão de vezes mais potente que um apontador laser típico e usando cerca de cinco vezes a potência do LIGO”, disse Richardson e professor assistente de física. “Esta tecnologia abre um novo caminho para o futuro da astronomia de ondas gravitacionais. É um passo importante para permitir detectores de próxima geração como o Cosmic Explorer, que irá ver mais profundamente o universo do que nunca.”
FROSTI: controle térmico de precisão para espelhos LIGO
FROSTI, abreviação de Front Surface Type Irradiator, é um sistema de controle de frente de onda de precisão projetado para cancelar as distorções produzidas quando a luz laser intensa aquece a óptica do LIGO. Os sistemas existentes só podem realizar correções relativamente grosseiras, mas o FROSTI utiliza um método de projeção térmica mais avançado para aplicar correções finas e de ordem superior às superfícies espelhadas. Este nível de controle é essencial para os requisitos de desempenho mais exigentes dos detectores futuros.
Apesar do nome gelado, FROSTI funciona aquecendo a superfície do espelho de uma forma muito controlada que a devolve à sua forma óptica ideal. Usando radiação térmica, o sistema projeta um padrão de calor cuidadosamente adaptado no espelho. Isto suaviza as distorções ópticas, evitando ruído adicional que poderia ser confundido com um verdadeiro sinal de onda gravitacional.
Por que uma óptica melhor é importante para a astronomia de ondas gravitacionais
As primeiras ondas gravitacionais foram detectadas pelo LIGO em 2015, inaugurando uma nova era na astronomia. Para explorar plenamente esta nova forma de observar o Universo, no entanto, os próximos detectores precisarão de ver eventos mais distantes e medi-los com maior precisão.
“Isso significa ultrapassar os limites da potência do laser e da precisão do nível quântico”, disse Richardson. “O problema é que o aumento da potência do laser destrói os delicados estados quânticos nos quais confiamos para melhorar a clareza do sinal. Nossa nova tecnologia resolve essa tensão para que a óptica permaneça intacta, mesmo em níveis de potência de megawatts.”
Com esta abordagem, espera-se que a nova tecnologia expanda o universo observável de ondas gravitacionais por um factor de 10. Este aumento no alcance permitirá aos astrónomos detectar milhões de buracos negros e fusões de estrelas de neutrões ao longo da história cósmica e estudá-los com detalhes sem precedentes.
Olhando para o futuro: LIGO A# e Cosmic Explorers
Espera-se que o FROSTI seja um componente chave do LIGO A#, uma atualização planejada que servirá como base de testes para o observatório de próxima geração conhecido como Cosmic Explorer. O protótipo atual é demonstrado num espelho LIGO de 40 kg, mas os mesmos princípios poderiam ser dimensionados e adaptados ao espelho muito maior de 440 kg proposto para o explorador cósmico.
“O protótipo atual é apenas o começo”, disse Richardson. “Já estamos projetando novas versões capazes de corrigir distorções ópticas mais complexas. Esta é a base de P&D para os próximos 20 anos da astronomia de ondas gravitacionais.”
Richardson conduziu a pesquisa em colaboração com cientistas da UCR, MIT e Caltech.
O trabalho foi apoiado por uma bolsa concedida a Richardson pela National Science Foundation.
