Resolver um problema dentro de um dos observatórios científicos mais sofisticados do mundo pode parecer o tipo de desafio que exige uma atualização multimilionária ou uma nova tecnologia revolucionária.
Mas para os cientistas que trabalham no Observatório de Ondas Gravitacionais com Interferômetro Laser (LIGO), que escuta ondulações no espaço-tempo geradas por colisões cósmicas como fusão buracos negrosa solução para um desafio de engenharia leve, mas persistente, acaba sendo tão simples quanto uma câmera pronta para uso.
Ao emparelhar câmaras de imagem térmica disponíveis comercialmente com modelos de computador, uma equipa liderada por Jonathan Richardson, da Universidade da Califórnia, em Riverside, desenvolveu uma técnica que corrige pequenas distorções induzidas pelo calor nos espelhos do observatório – uma falha elusiva que, segundo os cientistas, limita actualmente a distância que a instalação pode alcançar no espaço profundo.
“Não requer nenhum desenvolvimento de nova tecnologia, o que é quase inédito para resolver um problema de instrumentação LIGO”, disse Richardson em um comunicado. declaração.
Uma vez incorporada na próxima atualização do LIGO, Richardson e a sua equipa estimam que a correção ampliaria o alcance do observatório em cerca de 33 milhões de anos-luz.
Esse ganho pode soar como uma gota no oceano em comparação com a escala inimaginavelmente vasta do universo, mas como o espaço se expande em três dimensões, aumentar o alcance de um detector, mesmo que ligeiramente, abre uma janela de espaço exponencialmente maior. Ser capaz de olhar mais para dentro do Universo permitirá aos astrónomos “ouvir” muito mais ondulações cósmicas, aumentando por sua vez o potencial para descobrir as colisões mais violentas do Universo que estão hoje fora do alcance do LIGO.
O LIGO detecta essas ondulações cósmicas, conhecidas como ondas gravitacionaisusando instalações gêmeas em forma de L nos EUA – nos estados de Washington e Louisiana. Dentro de cada detector, um feixe de laser dispara dois túneis de 4 quilômetros de extensão, refletindo em espelhos imaculados em cada extremidade. Quando uma onda gravitacional passa Terraele estica sutilmente um túnel e comprime o outro. Essa mudança microscópica altera ligeiramente os feixes de laser, produzindo um pequeno lampejo de luz que alerta os cientistas sobre um evento cósmico distante.
Como esses sinais cósmicos são inconcebivelmente pequenos, a preservação de cada fóton é crucial. Para conseguir isso, o LIGO conta com espelhos polido para refletir 99,9999%t da luz laser que os atinge, classificando-os entre os componentes ópticos mais puros já construídos.
No entanto, mesmo estes espelhos quase perfeitos apresentam uma falha inevitável. Os espelhos ainda absorvem uma pequena fração dessa intensa luz laser. Essa energia transforma-se em calor, deformando a superfície do espelho em apenas alguns nanómetros, o suficiente para distorcer o feixe de laser e reduzir a sensibilidade geral do observatório.
Os físicos já sabiam que poderiam neutralizar essas distorções aplicando calor direcionado na parte de trás dos espelhos. A parte difícil foi medir as distorções com precisão suficiente para que o calor de correção pudesse ser aplicado com precisão exata.
A nova técnica utiliza imagens térmicas infravermelhas e modelos de computador existentes para reconstruir um mapa de distorções na superfície do espelho.
“Você pode pensar nisso como tirar uma foto infravermelha do motor de um carro”, disse Richardson no comunicado. “Um engenheiro pode observar o padrão de temperatura externa e inferir o que está acontecendo dentro do motor. Estamos fazendo a mesma coisa com os espelhos do LIGO.”
E a técnica não é apenas uma solução para o LIGO. Espera-se também que se torne parte do projeto fundamental para Explorador Cósmicoum proposto observatório de ondas gravitacionais dos EUA de próxima geração, previsto para meados da década de 2030.
Com braços de 40 km de comprimento – 10 vezes maiores que os do LIGO – o Cosmic Explorer já foi projetado para detectar eventos de ondas gravitacionais muito além do alcance dos observatórios atuais. Esta nova técnica apenas irá turbinar seu alcance final.
“O objetivo para a próxima geração de detectores de ondas gravitacionais é atingir cerca de 10 vezes a sensibilidade dos instrumentos atuais”, disse Richardson no comunicado. “Um dos principais obstáculos para conseguir isso é reduzir o ruído da mecânica quântica fundamental que limita a precisão das medições.”
A técnica é descrita em um papel publicado em 16 de julho em Gravidade Clássica e Quântica.
