Apenas um ano atrás, o Observatório de ondas gravitacionais do interferômetro a laser financiado pela National Science Foundation, ou LIGO, estava captando sussurros de ondas gravitacionais a cada mês ou assim. Agora, uma nova adição ao sistema está permitindo que os instrumentos detectem essas ondulações no espaço-tempo quase todas as semanas.

Desde o início da terceira operação operacional do LIGO em abril, um novo instrumento conhecido como espremedor de vácuo quântico ajudou os cientistas a identificar dezenas de sinais de ondas gravitacionais, incluindo uma que parece ter sido gerada por uma estrela de nêutrons binária - a fusão explosiva de duas estrelas de nêutrons.

O espremedor, como os cientistas chamam, foi designado, construído, e integrado com os detectores do LIGO por pesquisadores do MIT, junto com colaboradores da Caltech e da Australian National University, que detalha seu funcionamento em artigo publicado na revista Cartas de revisão física .

O que o instrumento "comprime" é o ruído quântico - flutuações infinitesimalmente pequenas no vácuo do espaço que chegam aos detectores. Os sinais que o LIGO detecta são tão pequenos que esses quânticos, caso contrário, pequenas flutuações podem ter um efeito contaminante, potencialmente turvando ou mascarando completamente os sinais de entrada de ondas gravitacionais.

"Onde a mecânica quântica entra está relacionada ao fato de que o laser do LIGO é feito de fótons, "explica a autora principal Maggie Tse, um estudante de pós-graduação no MIT. "Em vez de um fluxo contínuo de luz laser, se você olhar de perto, é na verdade um desfile barulhento de fótons individuais, cada um sob a influência das flutuações do vácuo. Considerando que um fluxo contínuo de luz criaria um zumbido constante no detector, os fótons individuais chegam ao detector com um pequeno 'pop'. "

"Este ruído quântico é como um estalo de pipoca no fundo que se insinua em nosso interferômetro, e é muito difícil de medir, "acrescenta Nergis Mavalvala, o Marble Professor of Astrophysics e chefe associado do Departamento de Física do MIT.

Com a nova tecnologia de espremedor, O LIGO eliminou esse confuso estalo quântico, estendendo o alcance dos detectores em 15 por cento. Combinado com um aumento na potência do laser do LIGO, isso significa que os detectores podem detectar uma onda gravitacional gerada por uma fonte no universo até cerca de 140 megaparsecs, ou mais de 400 milhões de anos-luz de distância. Este alcance estendido permitiu que o LIGO detectasse ondas gravitacionais quase que semanalmente.

"Quando a taxa de detecção aumenta, não apenas entendemos mais sobre as fontes que conhecemos, porque temos mais para estudar, mas nosso potencial para descobrir coisas desconhecidas surge, "diz Mavalvala, membro de longa data da equipe científica do LIGO. "Estamos lançando uma rede mais ampla."

Os principais autores do novo artigo são os alunos de graduação Maggie Tse e Haocun Yu, e Lisa Barsotti, um cientista pesquisador principal do Instituto Kavli de Astrofísica e Pesquisa Espacial do MIT, junto com outros na Colaboração Científica LIGO.

Limite quântico

LIGO compreende dois detectores idênticos, um localizado em Hanford, Washington, e o outro em Livingston, Louisiana. Cada detector consiste em dois túneis de 4 quilômetros de comprimento, ou braços, cada um estendendo-se do outro na forma de um "L".

Para detectar uma onda gravitacional, cientistas enviam um feixe de laser do canto do detector em forma de L, para baixo em cada braço, no final do qual está suspenso um espelho. Cada laser ricocheteia em seu respectivo espelho e viaja de volta para baixo em cada braço até o ponto em que começou. Se uma onda gravitacional passar pelo detector, deve mudar uma ou ambas as posições dos espelhos, o que, por sua vez, afetaria o tempo de chegada de cada laser de volta à sua origem. Este tempo é algo que os cientistas podem medir para identificar um sinal de onda gravitacional.

A principal fonte de incerteza nas medições do LIGO vem do ruído quântico no vácuo circundante de um laser. Embora o vácuo seja normalmente considerado um nada, ou vazio no espaço, os físicos o entendem como um estado em que as partículas subatômicas (neste caso, fótons) são constantemente criados e destruídos, aparecendo e desaparecendo tão rapidamente que são extremamente difíceis de detectar. Tanto o tempo de chegada (fase) quanto o número (amplitude) desses fótons são igualmente desconhecidos, e igualmente incerto, tornando difícil para os cientistas captarem os sinais de ondas gravitacionais do fundo resultante do ruído quântico.

E ainda, este estalo quântico é constante, e como o LIGO procura detectar mais longe, sinais mais fracos, este ruído quântico tornou-se mais um fator limitante.

"A medição que estamos fazendo é tão sensível que o vácuo quântico importa, "Notas de Barsotti.

Colocando um aperto no ruído "assustador"

A equipe de pesquisa do MIT começou há mais de 15 anos a projetar um dispositivo para reduzir a incerteza no ruído quântico, para revelar sinais de ondas gravitacionais mais fracos e distantes que, de outra forma, estariam enterrados no ruído quântico.

A compressão quântica foi uma teoria proposta pela primeira vez na década de 1980, a ideia geral é que o ruído do vácuo quântico pode ser representado como uma esfera de incerteza ao longo de dois eixos principais:fase e amplitude. Se esta esfera fosse comprimida, como uma bola anti-stress, de uma forma que restringiu a esfera ao longo do eixo de amplitude, isso, na verdade, reduziria a incerteza no estado de amplitude de um vácuo (a parte comprimida da esfera de estresse), enquanto aumenta a incerteza no estado de fase (bola de estresse deslocada, porção distendida). Uma vez que é predominantemente a incerteza de fase que contribui com ruído para o LIGO, encolhê-lo pode tornar o detector mais sensível aos sinais astrofísicos.

Quando a teoria foi proposta pela primeira vez há quase 40 anos, um punhado de grupos de pesquisa tentou construir instrumentos de compressão quântica em laboratório.

"Após essas primeiras demonstrações, ficou quieto, "Mavalvala diz.

“O desafio da construção de espremedores é que o estado de vácuo comprimido é muito frágil e delicado, "Tse acrescenta." Pegando a bola comprimida, em um pedaço, de onde é gerado até onde é medido é surpreendentemente difícil. Qualquer passo em falso, e a bola pode saltar de volta ao seu estado não pressionado. "

Então, por volta de 2002, assim que os detectores do LIGO começaram a procurar ondas gravitacionais, pesquisadores do MIT começaram a pensar na compressão quântica como uma forma de reduzir o ruído que poderia mascarar um sinal de onda gravitacional incrivelmente fraco. Eles desenvolveram um projeto preliminar para um espremedor a vácuo, que eles testaram em 2010 no site de Hanford do LIGO. O resultado foi encorajador:o instrumento conseguiu aumentar a relação sinal-ruído do LIGO - a força de um sinal promissor versus o ruído de fundo.

Desde então, O time, liderado por Tse e Barsotti, refinou seu design, e espremedores embutidos e integrados em ambos os detectores LIGO. O coração do espremedor é um oscilador paramétrico óptico, ou OPO - um dispositivo em forma de gravata borboleta que contém um pequeno cristal dentro de uma configuração de espelhos. Quando os pesquisadores direcionam um feixe de laser para o cristal, os átomos do cristal facilitam as interações entre o laser e o vácuo quântico de uma forma que reorganiza suas propriedades de fase versus amplitude, criando um novo, vácuo "comprimido" que então continua descendo por cada braço do detector como faria normalmente. Este vácuo comprimido tem flutuações de fase menores do que um vácuo comum, permitindo que os cientistas detectem melhor as ondas gravitacionais.

Além de aumentar a capacidade do LIGO de detectar ondas gravitacionais, o novo espremedor quântico também pode ajudar os cientistas a extrair melhor informações sobre as fontes que produzem essas ondas.

"Temos esse vácuo quântico assustador que podemos manipular sem realmente violar as leis da natureza, e podemos fazer uma medição melhorada, "Mavalvala diz." Isso nos diz que às vezes podemos dar uma guinada em torno da natureza. Nem sempre, mas às vezes."