Desde a detecção inovadora do Observatório de Ondas Gravitacionais do Interferômetro a Laser (LIGO), em 2015, de ondas gravitacionais produzidas por um par de buracos negros em colisão, o observatório, junto com sua parceira europeia Virgo, detectou dezenas de estrondos cósmicos semelhantes que enviam ondas através do espaço e do tempo.

No futuro, à medida que mais e mais atualizações são feitas nos observatórios LIGO financiados pela National Science Foundation - um em Hanford, Washington, e o outro em Livingston, Louisiana - espera-se que as instalações detectem um número cada vez maior desses eventos cósmicos extremos. Essas observações ajudarão a resolver mistérios fundamentais sobre o nosso universo, por exemplo, como os buracos negros se formam e como os ingredientes do nosso universo são fabricados.

Um fator importante para aumentar a sensibilidade dos observatórios envolve os revestimentos dos espelhos de vidro que ficam no centro dos instrumentos. Cada espelho de 40 quilogramas (88 libras) (há quatro em cada detector nos dois observatórios LIGO) é revestido com materiais reflexivos que essencialmente transformam o vidro em espelhos. Os espelhos refletem os feixes de laser que são sensíveis à passagem das ondas gravitacionais.

Geralmente, quanto mais refletivos os espelhos, quanto mais sensível o instrumento, mas há um problema:os revestimentos que tornam os espelhos reflexivos também podem causar ruído de fundo no instrumento - ruído que mascara os sinais de interesse das ondas gravitacionais.

Agora, um novo estudo da equipe LIGO descreve um novo tipo de revestimento de espelho feito de óxido de titânio e óxido de germânio, e descreve como pode reduzir o ruído de fundo nos espelhos do LIGO por um fator de dois, aumentando assim o volume de espaço que o LIGO pode sondar por um fator de oito.

“Queríamos encontrar um material no limite do que é possível hoje, "diz Gabriele Vajente, um cientista pesquisador sênior do LIGO na Caltech e autor principal de um artigo sobre o trabalho que aparece na revista Cartas de revisão física . "Nossa capacidade de estudar a escala astronômica grande do universo é limitada pelo que acontece neste minúsculo espaço microscópico."

"Com esses novos revestimentos, esperamos ser capazes de aumentar a taxa de detecção de ondas gravitacionais de uma vez por semana para uma vez por dia ou mais, "diz David Reitze, diretor executivo do LIGO Laboratory da Caltech.

A pesquisa, que podem ter aplicações futuras nas áreas de telecomunicações e semicondutores, foi uma colaboração entre Caltech; Colorado State University; a Universidade de Montreal; e a Stanford University, cujo síncrotron do SLAC National Accelerator Laboratory foi utilizado na caracterização dos revestimentos.

O LIGO detecta ondulações no espaço-tempo usando detectores chamados interferômetros. Nesta configuração, um poderoso feixe de laser é dividido em dois:cada feixe viaja por um braço de um grande invólucro a vácuo em forma de L em direção a espelhos a 4 quilômetros de distância. Os espelhos refletem os feixes de laser de volta à fonte de onde se originaram. Quando as ondas gravitacionais passam, eles esticarão e comprimirão o espaço em quantidades quase imperceptíveis, mas detectáveis ​​(muito menos do que a largura de um próton). As perturbações mudam o tempo de chegada dos dois feixes de laser de volta à fonte.

Qualquer sacudidela nos próprios espelhos - mesmo as vibrações térmicas microscópicas dos átomos nos revestimentos dos espelhos - pode afetar o tempo de chegada dos feixes de laser e dificultar o isolamento dos sinais das ondas gravitacionais.

"Cada vez que a luz passa entre dois materiais diferentes, uma fração dessa luz é refletida, "diz Vajente." Isso é a mesma coisa que acontece em suas janelas:você pode ver seu reflexo fraco no vidro. Ao adicionar várias camadas de materiais diferentes, podemos reforçar cada reflexo e tornar nossos espelhos até 99,999 por cento reflexivos. "

“O que é importante neste trabalho é que desenvolvemos uma nova forma de testar melhor os materiais, "diz Vajente." Agora podemos testar as propriedades de um novo material em cerca de oito horas, completamente automatizado, quando antes demorava quase uma semana. Isso nos permitiu explorar a tabela periódica experimentando muitos materiais diferentes e muitas combinações. Alguns dos materiais que testamos não funcionaram, mas isso nos deu uma visão sobre quais propriedades podem ser importantes. "

No fim, os cientistas descobriram que um material de revestimento feito de uma combinação de óxido de titânio e óxido de germânio dissipou menos energia (o equivalente a reduzir as vibrações térmicas).

"Adaptamos o processo de fabricação para atender às rigorosas demandas de qualidade óptica e ruído térmico reduzido dos revestimentos de espelho, "diz Carmen Menoni, professor da Colorado State University e membro do LIGO Scientific Collaboration. Menoni e seus colegas no estado do Colorado usaram um método chamado sputtering de feixe de íons para revestir os espelhos. Nesse processo, átomos de titânio e germânio são retirados de uma fonte, combinado com oxigênio, e então depositados no vidro para criar camadas finas de átomos.

O novo revestimento pode ser usado para a quinta execução de observação do LIGO, que começará no meio da década como parte do programa Advanced LIGO Plus. Enquanto isso, A quarta corrida de observação do LIGO, o último na campanha LIGO avançada, está previsto para começar no verão de 2022.

"Este é um divisor de águas para o Advanced LIGO Plus, "diz Reitze." E este é um ótimo exemplo de como o LIGO depende fortemente de ótica de ponta e pesquisa e desenvolvimento de ciência de materiais. Este é o maior avanço no desenvolvimento de revestimento óptico de precisão para LIGO nos últimos 20 anos. "