Os detectores de ondas gravitacionais podem em breve receber um grande impulso de desempenho, graças a um novo avanço em instrumentação liderado pelo físico Jonathan Richardson da Universidade da Califórnia, Riverside. Em um artigo publicado na revista Optica, Richardson e seus colegas descrevem o FROSTI, um protótipo em escala real que controla com sucesso os frentes de onda do laser em potência extremamente alta dentro do Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferometria a Laser, ou LIGO.
O LIGO é um observatório que mede ondas gravitacionais – minúsculas ondulações no espaço-tempo criadas por objetos massivos em aceleração, como buracos negros colidindo. Foi a primeira instalação a detectar essas ondas diretamente, fornecendo forte suporte à Teoria da Relatividade de Einstein. Usando dois interferômetros a laser de 4 km de comprimento localizados em Washington e Louisiana, o LIGO detecta distúrbios incrivelmente pequenos, oferecendo aos cientistas uma nova maneira de estudar buracos negros, cosmologia e matéria em 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 no espaço-tempo que são menores do que 1/1.000 do diâmetro de um próton, esses espelhos devem ser mantidos quase perfeitamente imóveis. Mesmo pequenas vibrações ou ruído ambiental podem ofuscar os fracos sinais de ondas gravitacionais que o LIGO tenta detectar.
“No coração de nossa inovação está um dispositivo de óptica adaptativa inovador projetado para remodelar precisamente as superfícies dos principais espelhos do LIGO sob potências de laser que superam 1 megawatt – mais de um bilhão de vezes mais forte do que um laser típico e quase cinco vezes a potência que o LIGO utiliza atualmente,” disse Richardson, professor assistente de física e astronomia. “Essa tecnologia abre um novo caminho para o futuro da astronomia de ondas gravitacionais. É um passo crucial para permitir a próxima geração de detectores, como o Cosmic Explorer, que verá mais profundamente no universo do que nunca.”
FROSTI: controle térmico de precisão para espelhos do LIGO
FROSTI, sigla para FROnt Surface Type Irradiator, é um sistema de controle de frente de onda de precisão projetado para cancelar distorções produzidas quando a intensa luz laser aquece a óptica do LIGO. Os sistemas existentes podem apenas fazer correções relativamente grosseiras, mas o FROSTI usa um método de projeção térmica mais avançado para aplicar ajustes finos e de maior ordem às superfícies dos espelhos. Esse nível de controle é essencial para os requisitos de desempenho mais exigentes dos futuros detectores.
Apesar de seu nome gelado, o FROSTI opera aquecendo a superfície do espelho de maneira muito controlada, retornando-a à sua forma óptica ideal. Utilizando radiação térmica, o sistema projeta um padrão de calor cuidadosamente projetado sobre o espelho. Isso suaviza as distorções ópticas enquanto evita ruídos adicionais que poderiam ser confundidos com verdadeiros sinais de ondas gravitacionais.
Por que melhores ópticas são importantes para a astronomia de ondas gravitacionais
As ondas gravitacionais foram detectadas pela primeira vez pelo LIGO em 2015, marcando o início de uma nova era na astronomia. Para explorar completamente essa nova forma de observar o universo, no entanto, os detectores próximos precisam perceber eventos mais distantes e medi-los com maior clareza.
“Isso significa empurrar os limites tanto da potência do laser quanto da precisão em nível quântico,” disse Richardson. “O problema é que aumentar a potência do laser tende a destruir os delicados estados quânticos que dependemos para melhorar a clareza do sinal. Nossa nova tecnologia resolve essa tensão, garantindo que a óptica permaneça não distorcida, mesmo em níveis de potência de megawatt.”
Com essa abordagem, a nova tecnologia deve expandir o universo observável de ondas gravitacionais em um fator de 10. Esse aumento no alcance pode permitir que os astrônomos detectem milhões de fusões de buracos negros e estrelas de nêutrons ao longo da história cósmica e estudá-las com detalhes sem precedentes.
Olhando para o futuro: LIGO A# e Cosmic Explorer
O FROSTI deve ser um componente-chave do LIGO A#, uma atualização planejada que servirá como um campo de testes para o próximo observatório conhecido como Cosmic Explorer. O protótipo atual foi demonstrado em um espelho do LIGO de 40 kg, mas os mesmos princípios podem ser ampliados e adaptados para os espelhos muito maiores de 440 kg propostos para o Cosmic Explorer.
“O protótipo atual é apenas o começo,” disse Richardson. “Já estamos projetando novas versões capazes de corrigir distorções ópticas ainda mais complexas. Esta é a fundação de P&D para os próximos 20 anos de astronomia de ondas gravitacionais.”
Richardson realizou a pesquisa em colaboração com cientistas da UCR, MIT e Caltech.
O trabalho foi apoiado por uma concessão a Richardson da National Science Foundation.
