A descoberta surpreendente da óptica pode transformar a nossa visão do Universo

LIGO é um observatório que mede ondas gravitacionais – pequenas ondulações no espaço-tempo criadas por objetos massivos em aceleração, como buracos negros em colisão. Foi a primeira instalação a detectar directamente estas ondas, 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 no espaço-tempo 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 potências de laser superiores a 1 megawatt – mais de um bilhão de vezes mais forte que um apontador laser típico e quase cinco vezes a potência que o LIGO usa hoje”, disse Richardson, professor assistente de física e astronomia. “Esta 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 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 distorções produzidas quando a luz laser intensa aquece a óptica do LIGO. Os sistemas existentes só podem fazer correções relativamente grosseiras, mas o FROSTI utiliza um método de projeção térmica mais avançado para aplicar ajustes finos e de ordem superior às superfícies do espelho. Este nível de controle é essencial para os requisitos de desempenho mais exigentes dos detectores futuros.

Apesar do nome gelado, o FROSTI opera aquecendo a superfície do espelho de uma forma muito controlada que o devolve à sua forma óptica ideal. Ao usar radiação térmica, o sistema projeta um padrão de calor cuidadosamente adaptado no espelho. Isto suaviza as distorções ópticas, evitando ruído extra que poderia ser confundido com sinais reais de ondas gravitacionais.

Por que uma óptica melhor é importante 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. No entanto, para explorar plenamente esta nova forma de observar o Universo, os detectores futuros precisam de ver eventos mais distantes e medi-los com maior clareza.

“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 tende a destruir os delicados estados quânticos nos quais confiamos para melhorar a clareza do sinal. Nossa nova tecnologia resolve essa tensão, garantindo que a óptica permaneça sem distorções, 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. Esse aumento no alcance poderia permitir aos astrónomos detectar milhões de fusões de buracos negros e estrelas de neutrões ao longo da história cósmica, e estudá-los com detalhes sem precedentes.

Olhando para o futuro: LIGO A# e Cosmic Explorer

Espera-se que o FROSTI seja um componente-chave do LIGO A#, uma atualização planejada que funcionará como um banco de testes para o observatório de próxima geração conhecido como Cosmic Explorer. O protótipo atual foi demonstrado num espelho LIGO de 40 kg, mas os mesmos princípios podem ser ampliados e adaptados aos 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 base de pesquisa e desenvolvimento 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.