Houve muita empolgação no ano passado quando a colaboração do LIGO detectou ondas gravitacionais, que são ondulações na própria estrutura do espaço. E não é à toa - foi uma das descobertas mais importantes do século. Ao medir as ondas gravitacionais de processos astrofísicos intensos, como a fusão de buracos negros, o experimento abre uma maneira completamente nova de observar e compreender o universo.

Mas há limites para o que o LIGO pode fazer. Embora as ondas gravitacionais existam com uma grande variedade de frequências, O LIGO só pode detectar aqueles dentro de um determinado intervalo. Em particular, não há como medir o tipo de ondas gravitacionais de alta frequência que foram geradas no próprio Big Bang. Pegar essas ondas revolucionaria a cosmologia, dando-nos informações cruciais sobre como o universo veio a existir. Nossa pesquisa apresenta um modelo que pode um dia possibilitar isso.

Na teoria da relatividade geral desenvolvida por Einstein, a massa de um objeto curva o espaço e o tempo - quanto mais massa, quanto mais curvatura. Isso é semelhante a como uma pessoa estica o tecido de um trampolim ao pisar nele. Se a pessoa começar a se mover para cima e para baixo, isso geraria ondulações no tecido que se moveriam para fora da posição da pessoa. A velocidade com que a pessoa está saltando determinará a frequência das ondulações geradas no tecido.

Um traço importante do Big Bang é a radiação cósmica de fundo em micro-ondas. Esta é a radiação que sobrou do nascimento do universo, criou cerca de 300, 000 anos após o Big Bang. Mas o nascimento do nosso universo também criou ondas gravitacionais - e estas teriam se originado apenas uma fração de segundo após o evento. Como essas ondas gravitacionais contêm informações valiosas sobre a origem do universo, há muito interesse em detectá-los. As ondas com as frequências mais altas podem ter se originado durante as transições de fase do universo primitivo ou por vibrações e estalos de cordas cósmicas.

Um flash instantâneo de brilho

Nossa equipe de pesquisa, das universidades de Aberdeen e Leeds, acho que os átomos podem ter uma vantagem na detecção de elusivos, ondas gravitacionais de alta freqüência. Calculamos que um grupo de átomos "altamente excitados" (chamados átomos de Rydberg - nos quais os elétrons foram empurrados para longe do núcleo do átomo, tornando-o enorme - emitirá um pulso de luz brilhante quando atingido por uma onda gravitacional.

Para deixar os átomos excitados, nós lançamos uma luz sobre eles. Cada um desses átomos aumentados é geralmente muito frágil e a menor perturbação fará com que eles entrem em colapso, liberando a luz absorvida. Contudo, a interação com uma onda gravitacional pode ser muito fraca, e seu efeito será mascarado pelas muitas interações, como colisões com outros átomos ou partículas.

Em vez de analisar a interação com átomos individuais, modelamos o comportamento coletivo de um grande grupo de átomos agrupados. Se o grupo de átomos for exposto a um campo comum, como nosso campo gravitacional oscilante, isso vai induzir os átomos excitados a decair, todos ao mesmo tempo. Os átomos irão então liberar um grande número de fótons (partículas de luz), gerando um intenso pulso de luz, apelidado de "superradiance".

Como os átomos de Rydberg submetidos a uma onda gravitacional irão super-irradiar como resultado da interação, podemos adivinhar que uma onda gravitacional passou pelo conjunto atômico sempre que vemos um pulso de luz.

Ao alterar o tamanho dos átomos, podemos fazê-los irradiar para diferentes frequências da onda gravitacional. Isso pode ser útil para detecção em diferentes intervalos. Usando o tipo adequado de átomos, e sob condições ideais, seria possível usar esta técnica para medir ondas gravitacionais de relíquia desde o nascimento do universo. Ao analisar o sinal dos átomos é possível determinar as propriedades, e, portanto, a origem, das ondas gravitacionais.

Pode haver alguns desafios para esta técnica experimental:o principal deles é colocar os átomos em um estado altamente excitado. Outra é ter átomos suficientes, porque são tão grandes que se tornam muito difíceis de conter.

Uma teoria de tudo?

Além da possibilidade de estudar as ondas gravitacionais desde o nascimento do universo, o objetivo final da pesquisa é detectar flutuações gravitacionais do próprio espaço vazio - o vácuo. Estas são variações gravitacionais extremamente fracas que ocorrem espontaneamente na menor escala, surgindo de

A descoberta de tais ondas pode levar à unificação da relatividade geral e da mecânica quântica, um dos maiores desafios da física moderna. A relatividade geral é incomparável quando se trata de descrever o mundo em grande escala, como planetas e galáxias, enquanto a mecânica quântica descreve perfeitamente a física na menor escala, como o átomo ou mesmo partes do átomo. Mas calcular o impacto gravitacional da menor das partículas ajudará, portanto, a superar essa divisão.

Mas descobrir as ondas associadas a tais flutuações quânticas exigiria um grande número de átomos preparados com uma enorme quantidade de energia, o que pode não ser possível fazer no laboratório. Em vez de fazer isso, pode ser possível usar átomos de Rydberg no espaço sideral. Enormes nuvens desses átomos existem em torno de anãs brancas - estrelas que ficaram sem combustível - e dentro de nebulosas com tamanhos quatro vezes maiores do que qualquer coisa que possa ser criada na Terra. A radiação proveniente dessas fontes pode conter a assinatura das flutuações gravitacionais do vácuo, esperando para ser revelado.

Este artigo foi publicado originalmente em The Conversation. Leia o artigo original.