Quando objetos massivos, como buracos negros, se fundem ou estrelas de nêutrons colidem, eles podem enviar ondas gravitacionais se propagando pelo universo. Essas ondas viajam à velocidade da luz e causam distorções extremamente pequenas no espaço-tempo. Albert Einstein previu a existência delas há mais de um século, mas os cientistas não as observaram diretamente até 2015. Agora, o Prof. Ralf Schützhold, um físico teórico do Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), propôs avançar na ciência. Ele delineou um experimento que não apenas detectaria ondas gravitacionais, mas também as influenciaria ativamente. O conceito, publicado na revista Physical Review Letters, poderia ajudar os cientistas a explorar a tão suspeitada natureza quântica da gravidade.
“A gravidade afeta tudo, incluindo a luz”, diz Schützhold. Isso significa que quando ondas de luz encontram ondas gravitacionais, os dois podem interagir. Sua proposta se concentra em transferir pequenas quantidades de energia de um feixe de luz para uma onda gravitacional que passa. À medida que isso acontece, a luz perde uma pequena quantidade de energia, enquanto a onda gravitacional ganha exatamente a mesma quantidade. Essa energia corresponde a um ou mais grávitons, as partículas teóricas que acredita-se que carregam a força da gravidade, embora nunca tenham sido observadas diretamente. “Isso tornaria a onda gravitacional um pouco mais intensa”, explica o físico. Ao mesmo tempo, a onda de luz experimenta uma mudança quase imperceptível em sua frequência.
Invertendo o Fluxo de Energia
“O processo também pode funcionar de outra maneira”, continua Schützhold. Nesse cenário, a onda gravitacional cede um pacote de energia à onda de luz. Em princípio, ambas as direções dessa troca poderiam ser medidas, significando que os cientistas poderiam observar a absorção e emissão estimuladas de grávitons. Para isso, seria necessário um enorme conjunto experimental. Schützhold estima que pulsos de laser na faixa espectral visível ou próximo do infravermelho precisariam refletir entre dois espelhos até um milhão de vezes. Com um arranjo físico de cerca de um quilômetro de comprimento, essa reflexão repetida criaria um caminho óptico efetivo de aproximadamente um milhão de quilômetros. Essa escala deve ser grande o suficiente para detectar as pequenas transferências de energia que ocorrem quando a luz interage com uma onda gravitacional.
Detectando um Sinal Quase Imperceptível
A mudança de frequência na luz causada pela absorção ou liberação da energia de um ou mais grávitons seria extraordinariamente pequena. No entanto, Schützhold argumenta que um interferômetro cuidadosamente projetado poderia revelá-la. Em tal dispositivo, duas ondas de luz experimentariam mudanças de frequência ligeiramente diferentes dependendo se ganham ou perdem energia. Após percorrerem o longo caminho óptico, as ondas se recombinariam e formariam um padrão de interferência. Ao analisar esse padrão, os pesquisadores poderiam determinar como a frequência da luz se deslocou e confirmar que a energia foi trocada com a onda gravitacional.
Lições do LIGO e Possibilidades Futuras
“Pode levar várias décadas desde a ideia inicial até o experimento”, diz Schützhold. No entanto, ele observa que a proposta compartilha semelhanças com a tecnologia existente, especialmente o Observatório LIGO — acrônimo para o Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferometria a Laser — que já é usado para detectar ondas gravitacionais. O LIGO consiste em dois tubos de vácuo em forma de L com cerca de quatro quilômetros de comprimento. Um divisor de feixe envia um feixe de laser pelos dois braços, onde ondas gravitacionais que passam esticam e comprimem ligeiramente o espaço-tempo. Essas distorções alteram os comprimentos dos braços em apenas alguns attômetros (10^-18 metros), o suficiente para mudar o padrão de interferência da luz e produzir um sinal mensurável.
Um interferômetro projetado em torno do conceito de Schützhold poderia ir além da detecção e permitir que os cientistas manipulassem ondas gravitacionais pela primeira vez através da absorção e emissão estimuladas de grávitons. Ele também sugere que o uso de pulsos de luz com fótons emaranhados, que estão mecanicamente ligados, poderia melhorar muito a sensibilidade do instrumento. “Então poderíamos até inferir sobre o estado quântico do próprio campo gravitacional”, diz Schützhold. Embora isso não prove diretamente a existência de grávitons, forneceria fortes evidências de apoio. Se os efeitos de interferência esperados não aparecessem, as teorias atuais baseadas em grávitons seriam colocadas em questão. Por essa razão, não é surpreendente que a proposta de Schützhold tenha atraído uma atenção significativa da comunidade física.