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 Galileo e outros pioneiros e continua hoje.

Cobrimos vários novos megaprojetos de telescópios, como:

• DKIST, o telescópio solar mais poderoso do mundo.
• O Telescópio Espacial James Webb, localizado a milhões de milhas de distância da Terra.
• O Observatório Vera C. Rubin, um telescópio de levantamento que olha para o céu inteiro de uma vez.
• SKAO (Observatório Square Kilometre Array), estudando o céu no espectro de ondas de rádio.
• DUNE (Experimento de Neutrinos Subterrâneos), detectando neutrinos elusivos.

Um novo tipo de astronomia está surgindo, que estuda o universo de uma maneira completamente nova: em vez de luz e comprimento de onda de ondas eletromagnéticas, mede ondas gravitacionais.

Apenas teóricas até relativamente recentemente, agora as ondas gravitacionais são um fenômeno comprovado. Um projeto está olhando para maneiras de medir essas ondas: o Observatório de Ondas Gravitacionais Laser Interferometer (LIGO).

Medindo a Gravidade com Astronomia de Ondas Gravitacionais

A gravidade havia sido considerada por muito tempo como “apenas” uma das forças fundamentais do Universo, como o eletromagnetismo ou a força que impulsiona as forças nucleares no nível atômico.

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

Sua teoria não apenas 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 foi a de ondas gravitacionais, que causam o espaço a se esticar e se contrair 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.

Alguns eventos seriam provavelmente massivos o suficiente para gerar ondas gravitacionais fortes o suficiente para serem medidas, como, por exemplo, a colisão de dois buracos negros.

No entanto, não importa quão poderoso tal fenômeno seja em termos absolutos, a grande 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 atingem a Terra, a milhões ou bilhões de anos-luz de distância, elas são milhares de bilhões de vezes menores.

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

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

Como os Interferômetros Detectam Ondas Gravitacionais

A primeira prova indireta de ondas gravitacionais foi obtida pelo estudo da órbita de um pulsar binário. A perda de energia devido ao declínio orbital coincidiu com a energia prevista que seria perdida para a geração de ondas gravitacionais, ganhou os cientistas responsáveis por essa descoberta o Prêmio Nobel de Física de 1993.

Fonte: Prêmio Nobel

A medição direta exigia uma prova diferente, usando um interferômetro. A ideia básica de um interferômetro é usar a interação entre feixes de luz. Se dois feixes de luz têm o mesmo comprimento de onda, eles se sobrepõem e criam um padrão de manchas escuras e claras.

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

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

LIGO – Uma Realização Vencedora do Nobel

Em sua forma mais simples, o LIGO é composto por 2 braços longos, com luz enviada ao longo deles, cada um medindo 4 km, ou 2,5 milhas. A escala do braço ajuda a detectar mesmo as variações mais minúsculas, pois os braços mais longos permitem que as medições sejam menores.

Um feixe de laser é enviado ao longo de 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 deveria cancelar o outro.

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

Fonte: Prêmio Nobel

Em 2015, o Observatório de Ondas Gravitacionais Laser Interferometer da Fundação Nacional de Ciência dos EUA (NSF LIGO) 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, que é fácil de entender assim que conseguimos entender o conceito de ondas gravitacionais e com um mínimo de compreensão de luz e lasers.

Construir um sistema preciso o suficiente para ser capaz de detectar variações de comprimento 1/10.000º do tamanho de um átomo é outra história.

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

Fonte: Prêmio Nobel

A dupla faculdade funciona como confirmação, pois a grande distância entre elas significa que uma onda gravitacional terá um atraso de sete segundos entre as duas, enquanto gera o mesmo sinal.

Então, enquanto apenas uma detecção pode sempre ser considerada como um possível erro ou perturbação local, o mesmo acontecendo em ambos os lados dos EUA no exato intervalo de tempo previsto é quase impossível.

As duplas faculdades também proporcionam uma vantagem inestimável: a possibilidade de triangular o sinal. Isso permite que os cientistas reduzam a região do céu de onde o sinal pode vir, que é posteriormente identificado por “astrônomos regulares” que encontrarão 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 do laser devem ser tão estáveis quanto possível. Sem isso, flutuações aleatórias poderiam ser mal interpretadas como o sinal de uma onda gravitacional.

Em seguida, o feixe deve atingir os espelhos suspensos com precisão. Esses espelhos nunca devem se mover.

Eles devem mal se sacudir, nem mesmo quando as folhas caem de árvores próximas, uma criança corre por perto ou um caminhão passa em uma estrada distante. Ao mesmo tempo, esses espelhos suspensos devem ser livres para balançar com a passagem de ondas gravitacionais.

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

• O movimento térmico dos átomos na superfície dos espelhos
• Efeitos quânticos no laser.
• Trechos sísmicos.
• Qualquer impureza no ar interferiria, exigindo que o experimento todo fosse realizado em tubos de vácuo maciços.

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

Como resultado, logo ficou claro que, além dos trabalhos preliminares, esse projeto exigia muito mais orçamento e expertise técnica do que uma pequena equipe 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 em grande escala com mais de mil participantes, com um financiamento inicial de $395M.

Isso exigiria um total de $200M para alcançar a descoberta de 2015, quando o LIGO recebeu lasers 10 vezes mais potentes, espelhos que pesam 40 quilos, filtros de ruído altamente avançados e um dos maiores sistemas de vácuo do mundo.

Estabilização Sísmica

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

Um primeiro sistema de redução de vibração passiva foi instalado nos espelhos: um sistema de pêndulo complexo que absorve vibrações e as bloqueia de serem transferidas para a próxima parte.

Combinado, essa estrutura é tão eficaz na redução de vibrações que qualquer vibração presente no topo da suspensão é feita 100-milhões de vezes menor quando atinge a massa de teste em si.

Fonte: LIGO

Isso ainda não foi suficiente, então é complementado por um sistema de estabilização ativo. Sismômetros ao redor de cada observatório detectam uma gama de movimentos do solo, então enviam esses sinais para um computador que os combina e determina contra-movimentos.

Fonte: LIGO

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

Óptica

Pesando 40 kg cada, e pendurados no final das suspensões, a óptica do LIGO é feita de materiais ultra-puros depositados em camadas de espessura nanométrica. Eles são revestidos com materiais que refletem todos, exceto um de cada 5 milhões de fótons que atingem!

Laser

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

Laseres comerciais não seriam tão precisos. Então, o laser do LIGO foi especialmente projetado para ser um dos lasers mais estáveis e puros de seu tipo já inventado.

Vácuo

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

Isso também remove o risco de poeira se acumular nos espelhos, que seria incinerada pelo laser e destruiria os espelhos de $2M.

A pressão atmosférica dentro dos braços do LIGO é um trilhão de vezes menor do que a pressão no nível do mar, o que significa que há cerca de apenas 10 milhões de moléculas por centímetro cúbico.

Realizações do LIGO

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

• Outra fusão de buracos negros em 2016, cada um de cerca de 30 massas solares, foi localizada a 1,3 bilhão de anos-luz, ou quase 1/10º da distância do universo observável.
• Um terceiro e então um quarto buraco negro fundido em 2017.

Depois disso, o LIGO foi fechado para melhoria até 2019, antes de ser interrompido pela pandemia. Os cientistas usaram a oportunidade para realizar melhorias adicionais e adicionar à rede VIRGO, a instalação irmã europeia fora de Pisa, na Itália.

Futuro do LIGO

Melhorias anteriores levaram o LIGO a fazer nada menos que 79 detecções de ondas gravitacionais nos últimos anos, criando um catálogo extensivo de eventos que envolvem estrelas de nêutrons e buracos negros para que outros astrônomos identifiquem com precisão e entendam melhor.

Uma melhoria importante futura 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 é a de “ondas gravitacionais de explosão”. Essas ondas de curta duração de fontes desconhecidas ou inesperadas são apenas teóricas e difíceis de detectar, então os analistas que executam o LIGO precisam estar abertos ao que é ou não um sinal válido.

“Também podemos detectar ondas gravitacionais de sistemas que nunca sabíamos que existiam antes. Para procurar 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 à busca apenas por assinaturas de ondas gravitacionais que os cientistas previram.”

Outros Detectores de Ondas Gravitacionais

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

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

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Conclusão

O LIGO é um projeto muito impressionante, pois foi de um experimento inédito a imediatamente validar 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 no início.

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

Da mesma forma, 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 empurram o que é possível em termos de fabricação de precisão de vidro avançado, isso também abre muitas possibilidades industriais em setores tão variados quanto automotivo, semicondutores, IA, defesa, biotecnologia, saúde, etc. O mercado de óptica avançada é um mercado de $310B, esperado para crescer a uma taxa de 9,2% ao ano 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, o primeiro 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 core de fabricação de vidro e cerâmica e tecnologias de física óptica, que compartilham processos de fabricação e mercados de destino comuns.

Fonte: Corning

Essa interconexão de tecnologias permite que a empresa compartilhe capacidades de fabricação, pesquisa e engenharia comuns entre suas diferentes linhas de produtos. Com 52.000+ funcionários, 77+ sites de fabricação em todo o mundo e 10+ instalações de P&D, a empresa é um grande jogador em sua nicho.

Fonte: Corning

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

A Corning não deve ser muito afetada por tarifas, pois 90% das receitas nos EUA vêm de produtos com origem nos EUA. Muito pouca das vendas feitas na China originou-se de instalações nos EUA, com 80% das vendas na China feitas na China.

As tarifas podem até ajudar, pois a Corning está entrando no mercado de painéis solares, com o controle estratégico do Hemlock Solar, para produzir painéis solares feitos nos EUA, pois os painéis solares asiáticos (não apenas chineses) estão sujeitos a tarifas de quatro dígitos. 80% da capacidade já foi garantida por compromissos de clientes.

Os painéis solares fazem muito sentido para a empresa, com a manipulação de silício sendo uma expertise de fabricação core da empresa, tendo produzido polissilício por 60 anos, incluindo silício ultra-puro (99,9999999999% puro) e agora lançando a produção de wafer de silício, um produto importado 100% nos EUA.

Fonte: Corning

A empresa também está olhando para outras tecnologias avançadas onde sua expertise em vidro e cerâmica possa fornecer uma vantagem sólida, incluindo vidro flexível, RA, 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. Ela também abraça novos mercados que correspondem às suas competências core, notadamente solares e comunicação óptica/infraestrutura de IA. Isso a torna tanto uma empresa relativamente conservadora, apenas aprofundando-se em sua nicho, quanto um possível estoque de crescimento em mercados de alta tecnologia.

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