LIGO: Detectando Ondas Gravitacionais com Óptica de Precisão

Vendo a Gravidade: Como o LIGO Detecta Ondas Gravitacionais

A história da astronomia está ligada ao progresso dos telescópios, revelando progressivamente mais do Universo para nós. Começou com o telescópio primitivo de Galileu e outros pioneiros, e continua até hoje.

Cobrimos vários desses megaprojetos de telescópios, por exemplo:

• DKIST, o telescópio solar mais poderoso do mundo.
• The James Webb Space Telescope, localizado a milhões de milhas da Terra.
• The Vera C. Rubin Observatory, um telescópio de varredura que observa todo o céu de uma vez.
• SKAO (Observatório de Array de Quilômetro Quadrado), estudando o céu no espectro de ondas de rádio.
• DUNE (Experimento de Neutrinos Profundos Subterrâneos), detectando neutrinos elusivos.

Um novo tipo de astronomia está surgindo, que a estuda de forma totalmente nova: em vez de luz e comprimento de onda das ondas eletromagnéticas, mede ondas gravitacionais.

Antes apenas teórica até relativamente recentemente, agora as ondas gravitacionais são um fenômeno comprovado. Um projeto está buscando maneiras de medi‑las: o Observatório de Interferômetro Laser de Ondas Gravitacionais (LIGO).

Medindo a Gravidade com a Astronomia de Ondas Gravitacionais

A gravidade há muito tempo era considerada “apenas” uma das forças fundamentais do Universo, como o eletromagnetismo ou a força que impulsiona as forças nucleares ao nível atômico.

Mas no início do século 20^th century, a teoria da relatividade de Einstein descreveu a gravidade como a curvatura do espaço‑tempo.

A sua teoria não só descreveu corretamente como a gravidade funciona para objetos muito grandes como estrelas, mas também previu muitos fenômenos espaciais que ainda não haviam sido descobertos na época, como estrelas de nêutrons e buracos negros.

Outra previsão foram as ondas gravitacionais, que fazem o espaço esticar e comprimir como ondulações que se propagam na superfície de um lago.

Ao contrário de uma onda regular de luz ou mesmo de uma onda oceânica de água, uma onda gravitacional não é transportada por partículas. Em vez disso, uma onda gravitacional ocorre quando o próprio tecido do espaço‑tempo ondula ou vibra.

Algum evento provavelmente seria massivo o suficiente para gerar ondas gravitacionais fortes o bastante para serem medidas, como, por exemplo, a colisão de dois buracos negros entre si.

No entanto, não importa quão poderosa seja tal fenômeno em termos absolutos, a enorme distância entre a Terra e sua fonte, e a dificuldade de tentar medir o próprio espaço‑tempo, significam que um instrumento ultra‑sensível precisa ser projetado para detectar esses eventos.

Quando as ondas gravitacionais chegam à Terra, a milhões ou bilhões de anos‑luz de distância, elas são milhares de bilhões de vezes menores.

É por isso que um instrumento tão impressionante como o LIGO seria concebido.

Para as ondas gravitacionais da primeira detecção do LIGO, a quantidade de oscilação do espaço‑tempo que geraram foi 10.000 vezes menor que o núcleo de um átomo!

Como os Interferômetros Detectam Ondas Gravitacionais

A primeira prova indireta das ondas gravitacionais foi obtida pelo estudo da órbita de um pulsar binário. A perda de energia por decaimento orbital coincidiu com a energia prevista que seria perdida para a geração de ondas gravitacionais, concedendo aos cientistas responsáveis por esta descoberta o Prêmio Nobel de Física de 1993.

Fonte: Nobel Prize

A medição direta exigiu um tipo diferente de prova, usando um interferômetro. A ideia básica de um interferômetro é usar a interação entre feixes de luz. Se duas ondas de luz têm o mesmo comprimento de onda, elas se sobrepõem e criam um padrão de manchas escuras e claras.

Mas se algo altera esses comprimentos de onda, a perturbação pode ser medida.

À medida que a expansão e contração do espaço‑tempo das ondas gravitacionais também expandem e contraem um dos braços do interferômetro mais que o outro, isso cria um efeito detectável e mensurável das ondas gravitacionais.

LIGO – Uma Conquista Premiada com Nobel

Em sua forma mais simples, o LIGO é composto por 2 braços longos, com luz enviada por eles, cada um medindo 4 km, ou 2 ½ milhas. A escala do braço ajuda a detectar até a variação mais minúscula, pois quanto mais longos os braços, menores as medições que pode fazer.

Um feixe de laser é enviado por um braço do interferômetro, que é dividido em dois. Ambos os feixes são então refletidos de volta após atingir um espelho.

Normalmente, cada feixe de laser deve cancelar o outro.

Mas se um braço for contraído ou estendido mais que o outro por uma onda gravitacional, a interferência entre os feixes de laser cessa, e um sinal de luz é detectado.

Fonte: Nobel Prize

Em 2015, o Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (NSF LIGO) dos Estados Unidos confirmou a detecção das ondas criadas pela colisão de buracos negros a 1,3 bilhão de anos‑luz da Terra.

Esse trabalho inovador rendeu aos físicos Rainer Weiss, Barry Barish e Kip Thorne o Prêmio Nobel de Física de 2017.

Construindo o LIGO

Em princípio, o LIGO é um conceito relativamente simples, fácil de entender assim que conseguimos compreender o conceito de ondas gravitacionais e com um mínimo de entendimento de luz e lasers.

Construir um sistema preciso o bastante para detectar variações de comprimento de 1/10.000^th de um átomo é outra história.

Duas instalações semelhantes foram construídas, uma no noroeste dos EUA e outra na Louisiana, separadas por cerca de 3.000 km (1.860 milhas).

Fonte: Nobel Prize

A dupla instalação funciona como confirmação, pois sua grande distância significa que uma onda gravitacional terá um “atraso” de sete segundos entre as duas, gerando o mesmo sinal.

Portanto, enquanto uma única detecção poderia sempre ser considerada como um possível erro ou perturbação local, o mesmo evento acontecendo nos dois lados dos EUA exatamente no intervalo de tempo previsto é quase impossível.

As duas instalações também oferecem uma vantagem inestimável: a possibilidade de triangular o sinal. Isso nos permite estreitar a região do céu de onde o sinal poderia vir, que posteriormente será identificada por astrônomos “regulares” que descobrirão qual objeto estelar pode ser responsável.

A Busca do LIGO por Precisão de Medição sem Precedentes

O primeiro obstáculo técnico é que o comprimento de onda e a intensidade da luz laser devem ser o mais estáveis possível. Sem isso, flutuações aleatórias poderiam ser interpretadas erroneamente como o sinal de uma onda gravitacional.

Então o feixe deve atingir os espelhos suspensos com precisão. Esses espelhos nunca devem se mover.

Eles quase não devem tremer, nem mesmo quando folhas caem de árvores próximas, uma criança passa correndo, ou um caminhão passa em uma estrada distante. Ao mesmo tempo, esses espelhos suspensos devem estar livres para balançar com a passagem das ondas gravitacionais.

Variações mínimas não devidas à gravidade também precisam ser compensadas, por exemplo:

• O movimento térmico dos átomos na superfície dos espelhos
• Efeitos quânticos no laser.
• Vibrações sísmicas.
• Qualquer impureza do ar interferiria, exigindo que todo o experimento seja conduzido em tubos de vácuo massivos.

Em teoria, braços mais longos que 4 km proporcionariam medições ainda mais precisas, mas na prática há um limite prático para o tamanho que um interferômetro pode ter.

Como resultado, rapidamente ficou claro que, além dos trabalhos preliminares, este projeto exigia muito mais orçamento e expertise técnica do que um pequeno grupo de pesquisa poderia fornecer.

Então, em 1994, o cientista Barry Barish da CalTech transformou o pequeno grupo de pesquisa de cerca de 40 pessoas em uma colaboração internacional de grande escala com mais de mil participantes, com um financiamento inicial de US$ 395 milhões.

Seria necessário um total de US$ 200 milhões para alcançar o avanço de 2015, quando o LIGO recebeu lasers 10 vezes mais poderosos, espelhos de 40 kg, filtragem de ruído altamente avançada e um dos maiores sistemas de vácuo do mundo.

Estabilização Sísmica

Como a Terra nunca é perfeitamente estável, os espelhos do LIGO também não são sem estabilizadores sísmicos.

Um primeiro sistema de redução passiva de vibrações foi instalado nos espelhos: um complexo sistema de pêndulo que absorve vibrações e impede que elas sejam transferidas para a próxima parte.

Combinada, essa estrutura é tão eficaz na redução de vibrações que qualquer vibração presente no topo da suspensão é reduzida 100 milhões de vezes antes de alcançar a massa de teste.

Fonte: LIGO

Mesmo isso não foi suficiente, então foi complementado por um sistema de estabilização ativo. Sismômetros ao redor de cada observatório detectam uma variedade de movimentos do solo, enviam esses sinais a um computador que os combina e determina movimentos contrários.

Fonte: LIGO

A importância da ausência de vibração foi um critério importante ao escolher um local para construir os interferômetros. Não só precisavam de muito espaço livre, mas também de nenhuma atividade humana que gerasse muitas vibrações, equivalente à poluição luminosa para detecções de ondas gravitacionais.

Óptica

Pesando 40 kg cada, e penduradas na parte inferior das suspensões, as ópticas do LIGO são feitas de materiais ultra‑puros depositados em camadas de espessura nanométrica. Elas são revestidas com materiais que refletem todos, exceto um, de cada 5 milhões de fótons que as atingem!

Lasers

O núcleo do experimento, os lasers, precisam ter um comprimento de onda muito estável para manter o padrão de interferência consistente, e só vê‑lo ser perturbado por ondas gravitacionais.

Lasers comerciais não teriam sido tão precisos. Portanto, o laser do LIGO foi especialmente projetado para ser um dos lasers mais estáveis e puros de seu tipo já inventados.

Vácuo

Para reduzir qualquer interferência do ar ou partículas flutuantes, os testes são realizados em condições de vácuo ultra‑alto.

Isso também elimina o risco de poeira se acumular nos espelhos, o que seria incinerado pelo laser e destruiria os espelhos de US$ 2 milhões.

A pressão atmosférica dentro dos braços do LIGO é um trilionésimo da pressão ao nível do mar, o que significa que há cerca de apenas 10 milhões de moléculas por centímetro cúbico.

Conquistas do LIGO

Após a descoberta inicial de colisões de buracos negros em 2015, o observatório mediu muitos outros eventos de alta energia no Universo:

• Outra fusão de buracos negros em 2016, cada uma com cerca de 30 massas solares, foi localizada a até 1,3 bilhão de anos‑luz, ou quase 1/10 da distância de todo o universo observável.
• Uma terceira e depois uma quarta fusão de buracos negros em 2017.

Depois disso, o LIGO foi fechado para melhorias até 2019, antes de ser interrompido pela pandemia. Os cientistas aproveitaram a ocasião para novas melhorias e adicionaram à rede o VIRGO, a instalação irmã europeia fora de Pisa, na Itália.

Futuro do LIGO

Melhorias anteriores levaram o LIGO a fazer não menos que 79 detecções de ondas gravitacionais nos últimos anos, criando um extenso catálogo de eventos envolvendo estrelas de nêutrons e buracos negros para que outros astrônomos os identifiquem com precisão e compreendam melhor.

Um futuro upgrade importante será a substituição do espelho atual de 40 kg por espelhos de 100 kg, juntamente com sistemas de suspensão muito maiores.

A sensibilidade extra deve ajudar a encontrar mais informações sobre a gravidade no Universo.

Outro campo de pesquisa são as “ondas gravitacionais burst”. Essas ondas de curta duração de fontes desconhecidas ou inesperadas são apenas teóricas e difíceis de detectar, portanto os analistas que operam o LIGO precisam manter a mente aberta sobre o que é ou não um sinal válido.

“Também podemos detectar ondas gravitacionais de sistemas que nunca conhecemos antes. Para buscar esses tipos de ondas gravitacionais, não podemos assumir que elas terão propriedades bem definidas como as que os cientistas do LIGO modelaram anteriormente.

Isso significa que não podemos restringir nossas análises apenas à busca pelos sinais de ondas gravitacionais que os cientistas previram.”

Outros Detectores de Ondas Gravitacionais

A próxima geração de interferômetros também está em discussão, notavelmente Cosmic Explorer, um interferômetro com braços de 40 km de comprimento, ou o Einstein Telescope, um detector triangular com braços de 10 km enterrados profundamente no subsolo.

Outro projeto que pode ser visto no futuro é um enorme detector espacial de ondas gravitacionais: LISA, Laser Interferometer Space Antenna. Ele já está sendo projetado e testado por um empreendimento liderado pela Agência Espacial Europeia que operará três espaçonaves em formação triangular, com a distância entre cada satélite sendo 2,5 milhões de quilômetros.

Deslize para rolar →

Conclusão

LIGO é um projeto muito impressionante, pois passou de um experimento pioneiro a validar imediatamente a existência de ondas gravitacionais.

Um projeto como o LIGO pode, à primeira vista, parecer puramente acadêmico. Isso raramente é o caso, embora as aplicações diretas possam parecer difíceis de imaginar inicialmente.

Por exemplo, a teoria da relatividade de Einstein hoje é rotineiramente usada para calibrar as posições dos satélites GPS, uma aplicação que era difícil de imaginar como necessidade comercial diária em 1919.

De forma semelhante, o LIGO está impulsionando os cientistas a inventar espelhos, sistemas de estabilização e lasers cada vez mais precisos, com níveis de engenharia de classe mundial.

Essas inovações provavelmente darão frutos em qualquer tecnologia que use esses dispositivos, incluindo computação avançada ou tecnologias espaciais.

Investindo em Óptica Avançada

Corning Incorporated

À medida que os telescópios ampliam o que é possível em termos de fabricação de vidro avançado de precisão, isso também abre muitas possibilidades industriais em setores tão variados como automotivo, semicondutores, IA, defesa, biotecnologia, saúde, etc. O mercado de óptica avançada é um mercado de US$ 310 bilhões, com expectativa de crescimento de 9,2 % CAGR até 2032.

A Corning é uma empresa de vidro e óptica que existe há 170 anos. Ao longo de sua história, produziu as primeiras lâmpadas de vidro para a luz elétrica de Thomas Edison, a primeira fibra óptica de baixa perda, os substratos celulares que permitem conversores catalíticos e o primeiro vidro de cobertura resistente a danos para dispositivos móveis.

Fonte: Corning

Hoje, a empresa está focada nas tecnologias centrais de fabricação de vidro e cerâmica, e nas tecnologias de física óptica, que compartilham processos de fabricação e mercados finais comuns.

Fonte: Corning

Essa interconexão de tecnologias permite que a empresa compartilhe capacidades comuns de fabricação, pesquisa e engenharia entre suas diferentes linhas de produtos. Com mais de 52 000 funcionários, mais de 77 sites de fabricação em todo o mundo e mais de 10 instalações de P&D, a empresa é um grande player em seu nicho.

Fonte: Corning

A empresa está se beneficiando do boom em IA e construção de data centers (fibras ópticas), bem como do consumo geral de vidro especializado em telas e biotecnologia.

A Corning não deve ser muito impactada por tarifas, já que 90 % das receitas dos EUA provêm de produtos de origem americana. Muito pouco das vendas feitas na China se originou de instalações dos EUA, com 80 % das vendas chinesas feitas na China.

As tarifas podem até ajudar, já que a Corning está entrando no mercado de painéis solares, com o controle estratégico da Hemlock Solar, para produzir painéis fabricados nos EUA, já que painéis solares asiáticos (não apenas chineses) estão sendo submetidos a tarifas de quatro dígitos. 80 % da capacidade já foi garantida pelos compromissos dos clientes.

A energia solar faz muito sentido para a empresa, com o silício sendo uma competência central de fabricação, tendo produzido polisilício por 60 anos, incluindo silício ultra‑puro (99,9999999999 % puro) e agora lançando a produção de wafer de silício, um produto importado a 100 % nos EUA.

Fonte: Corning

A empresa também está explorando outras tecnologias avançadas onde sua expertise em vidro e cerâmica pode proporcionar uma vantagem sólida, incluindo vidro dobrável, AR, captura de carbono, etc.

Fonte: Corning

No geral, a Corning é uma empresa profundamente técnica, com fabricação localizada que não deve sofrer com a desglobalização. Também abraça novos mercados que correspondem às suas competências centrais, notadamente solar e comunicação óptica / infraestrutura de IA. Isso a torna tanto uma empresa relativamente conservadora que aprofunda seu nicho, mas também uma potencial ação de crescimento em mercados de alta tecnologia.

Últimas Notícias e Desenvolvimentos das Ações da Corning Inc. (GLW)