Pesquisadores do Observatório Astronômico Nacional do Japão (NAOJ) usaram a infraestrutura do antigo detector de ondas gravitacionais TAMA300 em Mitaka, Tóquio, para demonstrar uma nova técnica para reduzir o ruído quântico em detectores. Esta nova técnica aumentará a sensibilidade dos detectores que compõem uma rede colaborativa de ondas gravitacionais em todo o mundo, permitindo-lhes observar ondas mais fracas.

Quando começou as observações em 2000, O TAMA300 foi um dos primeiros detectores de ondas gravitacionais interferométricas em grande escala do mundo. Naquela época, o TAMA300 tinha a maior sensibilidade do mundo, definir um limite superior na força dos sinais de ondas gravitacionais; mas a primeira detecção de ondas gravitacionais reais foi feita 15 anos depois, em 2015, pelo LIGO. Desde então, a tecnologia do detector melhorou a tal ponto que os detectores modernos estão observando vários sinais por mês. Os resultados científicos obtidos a partir dessas observações já são impressionantes, e muitos mais são esperados nas próximas décadas. TAMA300 não está mais participando das observações, mas ainda é usado como um teste para novas tecnologias para melhorar outros detectores.

A sensibilidade dos detectores de ondas gravitacionais atuais e futuras é limitada em quase todas as frequências pelo ruído quântico causado pelos efeitos das flutuações do vácuo dos campos eletromagnéticos. Mas mesmo esse ruído quântico inerente pode ser evitado. É possível manipular as flutuações do vácuo para redistribuir as incertezas quânticas, diminuindo um tipo de ruído em detrimento do aumento de outro, tipo de ruído menos obstrutivo. Esta técnica, conhecido como compressão a vácuo, já foi implementado em detectores de ondas gravitacionais, aumentando muito sua sensibilidade a ondas gravitacionais de alta freqüência. Mas a interação optomecânica entre o campo eletromagnético e os espelhos do detector faz com que o efeito da compressão a vácuo mude dependendo da frequência. Então, em baixas frequências, a compressão a vácuo aumenta o tipo errado de ruído, realmente degradando a sensibilidade.

Para superar essa limitação e obter ruído reduzido em todas as frequências, uma equipe da NAOJ composta por membros do Projeto Científico de Ondas Gravitacionais e da colaboração KAGRA (mas também incluindo pesquisadores das colaborações de Virgem e GEO) demonstrou recentemente a viabilidade de uma técnica conhecida como compressão a vácuo dependente de frequência nas frequências útil para detectores de ondas gravitacionais. Como o próprio detector interage com os campos eletromagnéticos de maneira diferente, dependendo da frequência, a equipe usou a infraestrutura do antigo detector TAMA300 para criar um campo que por sua vez varia de acordo com a frequência. Um campo de vácuo comprimido normal (independente da frequência) é refletido em uma cavidade óptica de 300 metros de comprimento, de modo que uma dependência de frequência é impressa e é capaz de neutralizar o efeito optomecânico do interferômetro.

Esta técnica permitirá uma melhor sensibilidade em frequências altas e baixas simultaneamente. Este é um resultado crucial que demonstra uma tecnologia chave para melhorar a sensibilidade de detectores futuros. Sua implementação, planejada como uma atualização de curto prazo, junto com outras melhorias, deverá dobrar o alcance de observação dos detectores de segunda geração.

Esses resultados aparecerão como Zhao, Y., et al. "Fonte de vácuo comprimido dependente de frequência para redução de ruído quântico de banda larga em detectores de ondas gravitacionais avançados" em Cartas de revisão física em 28 de abril, 2020. Um resultado semelhante foi obtido por um grupo no MIT usando uma cavidade de filtro de 16 m, e os dois artigos serão publicados em conjunto.