p Escondido no porão de Stanford está um tubo de 10 metros de altura, envolto em uma gaiola de metal e envolto em fios. Uma barreira o separa da sala principal, além do qual o cilindro se estende por três andares até um aparato contendo átomos ultracongelados prontos para disparar para cima. Tabelas abastecidas com lasers para disparar contra os átomos - e analisar como eles respondem a forças como a gravidade - preenchem o resto do laboratório. p O tubo é um interferômetro de átomo, um dispositivo customizado projetado para estudar a natureza ondulatória dos átomos. De acordo com a mecânica quântica, átomos existem simultaneamente como partículas e ondas. O instrumento de Stanford representa um modelo para um novo instrumento ambicioso dez vezes seu tamanho que poderia ser implantado para detectar ondas gravitacionais - ondulações minúsculas no espaço-tempo criadas pela dissipação de energia de objetos astronômicos em movimento. O instrumento também pode lançar luz sobre outro mistério do universo:matéria escura.

p Os físicos experimentais de Stanford Jason Hogan e Mark Kasevich nunca pretenderam que seu dispositivo fosse implementado dessa forma. Quando Hogan começou seus estudos de graduação no laboratório de Kasevich, em vez disso, ele se concentrou em testar os efeitos da gravidade sobre os átomos. Mas conversas com o físico teórico Savas Dimopoulos, um professor de física, e seus alunos de pós-graduação - muitas vezes atraídos para baixo por uma máquina de café expresso instalada do outro lado do corredor do escritório de Kasevich - os levaram a começar a pensar sobre sua utilidade como um detector altamente sensível.

p "Estávamos falando de física, como os físicos costumam fazer, "diz Kasevich, um professor de física e física aplicada na Escola de Humanidades e Ciências de Stanford. Uma coisa levou à outra e o grupo pousou em um plano ousado para a criação de um interferômetro atômico capaz de detectar ondas gravitacionais que ninguém tinha visto antes.

p A ideia deles se encaixa em outra onda que varre a física, um que envolve a cooptação de instrumentos delicadamente sensíveis desenvolvidos para outros fins para responder a questões fundamentais sobre a natureza.

p Um novo método de detecção

p Em 2015, o Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) detectou um breve sinal de uma colisão de 1,3 bilhões de anos entre dois buracos negros supermassivos. Desde então, LIGO catalogou mais ondas gravitacionais passando pela Terra, fornecendo aos astrônomos uma nova lente poderosa para estudar o universo.

p As ondas gravitacionais são ondulações no espaço-tempo, muito parecido com as ondas do mar, exceto que distorcem o espaço, não água. Em teoria, qualquer massa em aceleração, seja uma mão acenando ou um planeta em órbita, produz ondas gravitacionais. Esses movimentos, Contudo, ocorrem em níveis muito abaixo de nossa capacidade de detectá-los. Apenas ondas gravitacionais de imensos fenômenos astronômicos causam mudanças grandes o suficiente no espaço-tempo para que possam ser reconhecidas por sensores na Terra.

p Assim como diferentes frequências compõem o espectro eletromagnético, as ondas gravitacionais também variam. O LIGO e outros detectores de ondas gravitacionais atuais detectam uma faixa muito estreita - ondas de alta frequência como as do momento em que dois buracos negros colidem - mas outras partes do espectro de ondas gravitacionais permanecem inexploradas. E assim como os astrônomos podem aprender coisas novas sobre uma estrela estudando sua luz ultravioleta versus sua luz visível, analisar dados de outras frequências de ondas gravitacionais pode ajudar a resolver mistérios do espaço que estão atualmente fora de alcance, incluindo aqueles sobre o universo primitivo.

p "Identificamos uma região do espectro que não estava bem coberta por nenhum outro detector, e era compatível com os métodos que já estávamos desenvolvendo, "disse Hogan, professor assistente de física na Escola de Ciências Humanas.

p Durante os estudos de pós-graduação de Hogan, ele e seus colegas construíram o interferômetro de átomo de 10 metros de altura para testar algumas de suas idéias. Contudo, para aumentar a sensibilidade do dispositivo - necessário para detectar oscilações de espaço-tempo menores que a largura de um próton - eles precisam de um detector maior. E, portanto, o Sensor Interferométrico Gradiômetro Atômico de Onda Matéria de 100 metros, ou MAGIS-100, experimento nasceu.

p Com a ajuda de um subsídio de US $ 9,8 milhões da Fundação Gordon and Betty Moore, os cientistas planejam fazer um poço subterrâneo existente no Fermilab, um Laboratório Nacional do Departamento de Energia em Illinois, Nova casa do MAGIS-100.

p "Você pode encontrar buracos no chão, mas é meio difícil encontrar um buraco no chão com um laboratório ligado a ele, "disse Rob Plunkett, um cientista sênior do Fermilab envolvido com o projeto.

p Conceitualmente, O MAGIS-100 funcionará de forma semelhante ao LIGO. Ambos os experimentos aproveitam a luz para medir a distância entre duas massas de teste, muito parecido com o alcance do radar. Mas embora o LIGO tenha espelhos, MAGIS-100 favorece átomos.

p "O átomo acabou sendo uma massa de teste incrível para esses propósitos, "disse Hogan." Temos técnicas muito poderosas para manipulá-lo e permitir que seja insensível a todas as fontes de ruído de fundo. "

p Os espelhos do LIGO pendurados em fios de vidro, o que significa que um terremoto pode disparar seus sensores. MAGIS-100, por outro lado, possui medidas para evitar que tais fontes de ruído estranho afetem seus dados.

p Depois de ser resfriado a uma fração de grau acima do zero absoluto, os átomos são jogados verticalmente no poço como gotas de água pingando de uma torneira. A temperatura fria coloca os átomos em um estado de repouso, então eles permanecem parados enquanto caem, e porque o eixo é um vácuo, os átomos despencam sem risco de desviar do curso. A orientação vertical do eixo também garante que uma Terra trêmula não afetará as medições.

p Os lasers então manipulam os átomos que caem e a equipe pode medir quanto tempo eles ficam em um estado de excitação. Hogan e Kasevich esperam empregar estrôncio como massa de teste - o mesmo elemento usado em relógios atômicos - para determinar se há algum atraso quando a luz excita átomos. Um atraso sugeriria que uma onda gravitacional passou.

p Além disso, Os cientistas do MAGIS-100 podem usar os dados atômicos para testar as previsões feitas por modelos de matéria escura. De acordo com alguns modelos, a presença de matéria escura pode levar a variações nos níveis de energia atômica. A tecnologia de laser supersensível permite que Plunkett e colaboradores procurem por essas variações.

p Olhando em direção ao espaço

p MAGIS-100 é um protótipo, mais um passo para construir um dispositivo ainda maior que seria muitas vezes mais sensível. Hogan e Kasevich disseram que imaginam um dia construir algo na escala do LIGO, que tem 4 quilômetros de comprimento.

p Porque um futuro MAGIS-100 em escala real deve detectar ondas gravitacionais de baixa frequência em torno de 1 Hertz, como aqueles que emitem de dois buracos negros orbitando um ao redor do outro, poderia identificar os mesmos eventos que o LIGO já viu, mas antes que as massas realmente colidam. Os dois experimentos poderiam, portanto, complementar-se.

p "Poderíamos fazer um detector que pudesse ver o mesmo sistema, mas muito, muito mais jovem, "disse Hogan.

p Os detectores avançados do tipo MAGIS também podem encontrar fontes de ondas gravitacionais que voam sob o radar do LIGO. Ondas gravitacionais primordiais, por exemplo, produzidos momentos após o Big Bang.

p "A detecção de ondas gravitacionais originadas no início do universo pode lançar luz sobre o que realmente aconteceu, "disse Kasevich.

p Ninguém sabe as frequências dessas ondas gravitacionais primordiais ou se o futuro detector de grande escala pode detectá-las. Hogan disse acreditar que o maior número possível de detectores deve ser construído para cobrir uma ampla gama de frequências e simplesmente ver o que está lá fora.

p "As fontes conhecidas que são empolgantes são essas fontes semelhantes ao LIGO, "disse Hogan." Então há o desconhecido, ao qual devemos estar abertos também. "