LIGO: Avanço científico promete revelar segredos do Universo
O principal detector de ondas gravitacionais da Terra passou por uma grande atualização que promete melhorar significativamente sua capacidade de detectar perturbações no tecido do espaço-tempo, conhecidas como ondas gravitacionais. Essas perturbações geralmente resultam de colisões entre corpos celestes massivos, como buracos negros e estrelas de nêutrons, e, por vezes, envolvem ambos os tipos de objetos.
Na próxima fase do Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferômetro a Laser (LIGO), este instrumento aprimorado deverá identificar um número maior de eventos de fusão envolvendo esses remanescentes estelares gigantes que se formam quando estrelas massivas chegam ao final de suas ciclos de vida. Além disso, a melhoria permitirá que o LIGO detecte esses eventos em distâncias maiores, efetivamente rastreando ondas gravitacionais que se propagaram pelo cosmos por bilhões de anos.
Wenxuan Jia, um pesquisador do laboratório do LIGO, enfatizou a importância dessa atualização, afirmando: “Agora podemos explorar mais profundamente no universo e antecipar a detecção de cerca de 60% mais fusões do que era anteriormente possível. O LIGO também estenderá seu alcance para capturar eventos de coalescência binária que ocorreram em locais mais distantes. Essa melhoria, com menos interferência e uma melhor relação sinal-ruído, nos permitirá refinar melhor as características dos objetos compactos que se fundiram bilhões de anos atrás”.
Além disso, a atualização aumenta a probabilidade de identificar buracos negros com massas subestelares dentro do universo. As últimas melhorias são esperadas para fortalecer a detecção de sinais astrofísicos em várias facetas.
O LIGO alcançou reconhecimento internacional em setembro de 2015, quando detectou ondas gravitacionais geradas pela fusão de buracos negros pela primeira vez. Essas ondas haviam viajado por aproximadamente 1,4 bilhão de anos, distorcendo e comprimindo o espaço-tempo à medida que atravessavam o cosmos.
Desde essa detecção histórica, o LIGO, em conjunto com seu parceiro, o detector de ondas gravitacionais Virgo, identificou sinais de numerosas fusões envolvendo buracos negros, estrelas de nêutrons e combinações de ambos.
O que diferencia essa atualização recente é que ela ultrapassa o que é conhecido como o “limite quântico”, uma conquista sem precedentes para um detector de ondas gravitacionais.
Para compreender a importância do limite quântico, é essencial entender que o LIGO é projetado para medir uma alteração extremamente pequena que pode ocorrer entre dois feixes de laser dentro de seus dois braços de 4 quilômetros. Essa alteração acontece quando as ondas gravitacionais passam por esses braços. Basicamente, o instrumento gera um feixe de laser, o divide em dois feixes e os envia separadamente pelos dois braços de 4 quilômetros. Esses feixes se alinham perfeitamente, apesar de sua separação espacial, quando se recombinam após a reflexão através de espelhos incorporados. No entanto, as ondas gravitacionais introduzem uma mudança no comprimento desses braços, como se um braço estivesse se esticando enquanto o outro encurtava.
É importante ressaltar que essa mudança de comprimento diz respeito aos lasers dentro dos braços, em vez dos próprios braços físicos. Essa alteração de comprimento leva a uma mudança na amplitude, afetando a potência dos lasers. Embora o efeito seja sutil devido à pequena alteração no comprimento do braço causada pelas ondas gravitacionais, ele é observável porque as mudanças na amplitude da luz são refletidas na fase da luz. Quando os lasers retornam ao detector, qualquer diferença sutil no comprimento do braço resulta em uma condição fora de fase conhecida como interferência destrutiva, onde os picos e vales das ondas de luz se cancelam mutuamente.
No entanto, surge um desafio quando as variações no comprimento dos braços se tornam extremamente pequenas, alcançando dimensões comparáveis às observadas no reino subatômico e quântico, trilhões de vezes menores do que um fio de cabelo humano. Nesse ponto, o impacto das ondas gravitacionais torna-se desafiador de medir com precisão devido ao Princípio da Incerteza de Heisenberg, um conceito fundamental da física quântica que impõe limites à precisão da medição de pares correlacionados de propriedades físicas, ou “observáveis”.
Na prática, isso significa que o LIGO foi incapaz de detectar algumas ondas gravitacionais porque os efeitos são muito sutis. No entanto, parece haver uma solução para essa limitação.
Jia explicou que existe um nível mínimo de incerteza ou ruído ao medir a fase de um feixe de laser ao longo do tempo. A luz do laser possui dois atributos observáveis: amplitude e frequência. O LIGO concentra-se em medições de fase ou frequência, com menos ênfase na amplitude.
Ao empregar o conceito de “squeezing” da luz, é possível reduzir a incerteza do observável de interesse, neste caso, a frequência, ao mesmo tempo em que se aumenta a incerteza do outro observável, a amplitude. Essa abordagem permite ao LIGO ultrapassar o limite quântico, alcançando medições de maior precisão.
Rana Adhikari, professor de física do Instituto de Tecnologia da Califórnia (Caltech), expressou entusiasmo por esse avanço e aspira a aprimorar a sensibilidade do LIGO para detectar ondas gravitacionais em níveis extremamente baixos. Ele também vislumbra a possibilidade de explorar buracos negros maiores que podem ter existido no início do universo.
Em última análise, essa conquista não apenas tem grande significado para o LIGO e a detecção de ondas gravitacionais, mas também demonstra que é possível ultrapassar o limite quântico sem violar o Princípio da Incerteza, marcando um marco emocionante para o campo da física.
A pesquisa da equipe sobre esse aprimoramento foi publicada na revista Physical Review X em setembro. [Space]
