Novo instrumento amplia o alcance do LIGO

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Há apenas um ano, o Observatório de Ondas Gravitacionais a Laser, com interferências a laser, financiado pela National Science Foundation, ou LIGO, estava captando sussurros de ondas gravitacionais a cada mês, aproximadamente.

Agora, uma nova adição ao sistema está permitindo que os instrumentos detectem essas ondulações no espaço-tempo quase toda semana.

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

O espremedor, como os cientistas o chamam, foi projetado, construído e integrado aos detectores do LIGO por pesquisadores do MIT, juntamente com colaboradores da Caltech e da Universidade Nacional da Austrália, que detalham seu trabalho em um artigo publicado na revista Physical Review Letters .

O que o instrumento “aperta” é o ruído quântico – flutuações infinitesimalmente pequenas no vácuo do espaço que entram nos detectores. Os sinais que o LIGO detecta são tão minúsculos que essas flutuações quânticas, caso contrário pequenas, podem ter um efeito contaminador, potencialmente turvando ou mascarando completamente os sinais de entrada das ondas gravitacionais.

A mecânica quântica se relaciona ao fato de o laser do LIGO ser feito de fótons”, explica a principal autora Maggie Tse, uma estudante de graduação do MIT.

“Em vez de um fluxo contínuo de luz laser, se você olhar de perto o suficiente, na verdade é uma parada barulhenta de fótons individuais, cada um sob a influência de flutuações de vácuo. Enquanto um fluxo contínuo de luz criaria um zumbido constante no detector, os fótons individuais cada um chega ao detector com um pequeno ‘estalo’ “.

“Esse ruído quântico é como um estalo de pipoca no fundo que se infiltra em nosso interferômetro e é muito difícil de medir”, acrescenta Nergis Mavalvala, professor de astrofísica de mármore e chefe associado do departamento de física do MIT.

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Com a nova tecnologia de espremedores, o LIGO reduziu esse estalo quântico confuso, estendendo o alcance dos detectores em 15%. Combinado com um aumento na potência do laser do LIGO, isso significa que os detectores podem captar uma onda gravitacional gerada por uma fonte no universo a cerca de 140 megarsegundos, ou a mais de 400 milhões de anos-luz de distância. Essa faixa estendida permitiu ao LIGO detectar ondas gravitacionais quase semanalmente.

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

Os principais autores do novo artigo são os estudantes Maggie Tse e Haocun Yu, e Lisa Barsotti, principal pesquisadora do Instituto Kavli de Astrofísica e Pesquisa Espacial do MIT, juntamente com outros membros da LIGO Scientific Collaboration.

Limite quântico

O LIGO compreende dois detectores idênticos, um localizado em Hanford, Washington, e o outro em Livingston, Louisiana. Cada detector consiste em dois túneis ou braços de 4 km de comprimento, cada um estendendo-se um do outro na forma de um “L.” Para detectar uma onda gravitacional, os cientistas enviam um raio laser a partir do canto do detector em forma de L, por cada braço, no final do qual está suspenso um espelho.

Cada laser quica em seu respectivo espelho e viaja de volta por cada braço até onde começou. Se uma onda gravitacional passa pelo detector, ela deve mudar uma ou ambas as posições dos espelhos, o que afetaria o tempo de chegada de cada laser de volta à sua origem. Esse 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 ao redor do laser. Enquanto um vácuo é tipicamente considerado um nada ou vazio no espaço, os físicos o entendem como um estado no qual partículas subatômicas (neste caso, fótons) estão sendo constantemente criadas e destruídas, aparecendo desaparecendo tão rapidamente que são extremamente difíceis de serem encontradas. detectar.

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Tanto a hora de chegada (fase) quanto o número (amplitude) desses fótons são igualmente desconhecidos e igualmente incertos, dificultando aos cientistas captar os sinais das ondas gravitacionais do fundo resultante do ruído quântico. E, no entanto, esse estalo quântico é constante e, à medida que o LIGO busca detectar sinais cada vez mais fracos, esse ruído quântico se tornou mais um fator limitante. “A medição que estamos fazendo é tão sensível que o vácuo quântico é importante”, observa Barsotti.

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Colocando o 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 mais distantes que, de outra forma, seriam enterrados no ruído quântico.

A compressão quântica foi uma teoria proposta pela primeira vez na década de 1980, com a idéia geral de que o ruído quântico a vácuo pode ser representado como uma esfera de incerteza ao longo de dois eixos principais: fase e amplitude.

Se essa esfera fosse espremida, como uma bola de tensão, de maneira a restringir a esfera ao longo do eixo de amplitude, isso reduziria a incerteza no estado de amplitude de um vácuo (a parte espremida da bola de tensão), enquanto aumentava a incerteza no estado de fase (parte distendida e deslocada da bola de tensão).

Uma vez que é predominantemente a incerteza de fase que contribui com o 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, vários grupos de pesquisa tentaram construir instrumentos de compressão quântica no laboratório. “Após essas primeiras manifestações, tudo ficou quieto”, diz Mavalvala.

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“O desafio com a construção de espremedores é que o estado de vácuo comprimido é muito frágil e delicado”, acrescenta Tse. “Conseguir a bola espremida, de uma só vez, de onde é gerada até onde é medida é surpreendentemente difícil. Qualquer passo em falso, e a bola pode saltar de volta ao seu estado não espremido.”

Compressão quântica como uma maneira de reduzir o ruído que poderia mascarar um sinal de onda gravitacional incrivelmente fraco.

Eles desenvolveram um design preliminar para um espremedor a vácuo, que testaram em 2010 na unidade de Hanford da 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, a equipe, liderada por Tse e Barsotti, aprimorou seu design e construiu e integrou espremedores nos dois detectores LIGO. O coração do espremedor é um oscilador paramétrico óptico, ou OPO – um dispositivo em forma de gravata borboleta que segura 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 maneira que reorganiza suas propriedades de fase versus amplitude, criando um novo vácuo “espremido” que depois continua cada um dos braço do detector como faria normalmente. Esse vácuo comprimido apresenta flutuações de fase menores que o 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, então, podemos fazer uma medição aprimorada”, diz Mavalvala. “Isso nos diz que às vezes podemos dar uma volta pela natureza. Nem sempre, mas às vezes”.

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