Em 2015, o Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferômetro a Laser, ou LIGO, fez história ao realizar a primeira detecção direta de ondas gravitacionais, ou ondulações no espaço e no tempo, produzidas por um par de buracos negros colidindo. Desde então, o LIGO, financiado pela Fundação Nacional de Ciências dos EUA (NSF), e seu detector irmão na Europa, Virgo, detectaram ondas gravitacionais de dezenas de fusões entre buracos negros, bem como de colisões entre uma classe relacionada de remanescentes estelares chamados estrelas de nêutrons. No cerne do sucesso do LIGO está sua capacidade de medir o estiramento e a compressão do tecido do espaço-tempo em escalas 10 mil trilhões de vezes menores que um fio de cabelo humano.
Por menores que sejam essas medições, a precisão do LIGO continuou a ser limitada pelas leis da física quântica. Em escalas subatômicas muito pequenas, o espaço vazio é preenchido com um fraco crepitar de ruído quântico, que interfere nas medições do LIGO e restringe o quão sensível o observatório pode ser. Agora, escrevendo no periódico Physical Review X, os pesquisadores do LIGO relatam um avanço significativo em uma tecnologia quântica chamada “squeezing” que lhes permite contornar esse limite e medir ondulações no espaço-tempo em toda a gama de frequências gravitacionais detectadas pelo LIGO.
Esta nova tecnologia de “squeezing dependente da frequência”, em operação no LIGO desde que foi reativado em maio deste ano, significa que os detectores agora podem sondar um volume maior do Universo e espera-se que detectem cerca de 60 por cento mais fusões do que antes. Isso aumenta consideravelmente a capacidade do LIGO de estudar os eventos exóticos que abalam o espaço e o tempo.
“Não podemos controlar a natureza, mas podemos controlar nossos detectores”, diz Lisa Barsotti, cientista pesquisadora sênior no MIT, que supervisionou o desenvolvimento da nova tecnologia do LIGO, um projeto que originalmente envolveu experimentos de pesquisa no MIT liderados pelo Professor de Física Matt Evans (PhD ’02) e pela Professora de Astrofísica Nergis Mavalvala. O esforço agora inclui dezenas de cientistas e engenheiros baseados no MIT, Caltech e nos observatórios gêmeos do LIGO em Hanford, Washington, e Livingston, Louisiana.
“Um projeto desta escala requer várias pessoas, de instalações a engenharia e óptica – basicamente a extensão total do Laboratório LIGO com contribuições importantes da Colaboração Científica LIGO. Foi um grande esforço tornado ainda mais desafiador pela pandemia”, diz Barsotti.
“Agora que superamos esse limite quântico, podemos fazer muito mais astronomia”, explica Lee McCuller, professor assistente de física no Caltech e um dos líderes do novo estudo. “O LIGO usa lasers e grandes espelhos para fazer suas observações, mas estamos trabalhando em um nível de sensibilidade que significa que o dispositivo é afetado pelo reino quântico.”
Os resultados também têm implicações para futuras tecnologias quânticas, como computadores quânticos e outros microeletrônicos, bem como para experimentos fundamentais de física. “Podemos pegar o que aprendemos com o LIGO e aplicá-lo a problemas que exigem medição de distâncias em escala subatômica com incrível precisão”, diz McCuller.
“Quando a NSF investiu pela primeira vez na construção dos detectores gêmeos do LIGO no final dos anos 1990, estávamos entusiasmados com o potencial de observar ondas gravitacionais”, diz o Diretor da NSF, Sethuraman Panchanathan. “Não só esses detectores tornaram possíveis descobertas revolucionárias, como também desencadearam o design e o desenvolvimento de novas tecnologias. Isso é verdadeiramente exemplar do DNA da NSF – explorações impulsionadas pela curiosidade aliadas a inovações inspiradas no uso. Através de décadas de investimentos contínuos e expansão de parcerias internacionais, o LIGO está ainda mais preparado para avançar em ricas descobertas e progresso tecnológico.”
As leis da física quântica ditam que partículas, incluindo fótons, aparecerão e desaparecerão aleatoriamente do espaço vazio, criando um fundo de ruído quântico que traz um nível de incerteza para as medições a laser do LIGO. O squeezing quântico, que tem suas raízes no final dos anos 1970, é um método para silenciar o ruído quântico ou, mais especificamente, para empurrar o ruído de um lugar para outro com o objetivo de fazer medições mais precisas.
O termo squeezing refere-se ao fato de que a luz pode ser manipulada como um balão de animais. Para fazer um cachorro ou uma girafa, alguém pode apertar uma seção de um balão longo em uma junta pequena e precisamente localizada. Mas então o outro lado do balão vai inchar para um tamanho maior e menos preciso. A luz pode ser semelhantemente comprimida para ser mais precisa em um traço, como sua frequência, mas o resultado é que ela se torna mais incerta em outro traço, como sua potência. Esta limitação é baseada em uma lei fundamental da mecânica quântica chamada princípio da incerteza, que afirma que você não pode conhecer tanto a posição quanto o momento de objetos (ou a frequência e potência da luz) ao mesmo tempo.
Desde 2019, os detectores gêmeos do LIGO têm comprimido a luz de tal forma a melhorar sua sensibilidade à faixa de frequência superior das ondas gravitacionais que detectam. Mas, da mesma forma que comprimir um lado de um balão resulta na expansão do outro lado, comprimir a luz tem um preço. Ao tornar as medições do LIGO mais precisas nas altas frequências, as medições se tornaram menos precisas nas frequências mais baixas.
“Em algum ponto, se você fizer mais squeezing, não vai ganhar muito. Precisávamos nos preparar para o que viria a seguir em nossa capacidade de detectar ondas gravitacionais”, explica Barsotti.
Agora, as novas cavidades ópticas dependentes da frequência do LIGO – longos tubos com cerca de o comprimento de três campos de futebol – permitem que a equipe comprima a luz de diferentes maneiras dependendo da frequência das ondas gravitacionais de interesse, reduzindo assim o ruído em toda a faixa de frequência do LIGO.
“Antes, tínhamos que escolher onde queríamos que o LIGO fosse mais preciso”, diz Rana Adhikari, membro da equipe do LIGO e professor de física no Caltech. “Agora podemos ter nosso bolo e comê-lo também. Sabíamos há algum tempo como escrever as equações para fazer isso funcionar, mas não estava claro que poderíamos realmente fazer isso funcionar até agora. É como ficção científica.”
Cada instalação do LIGO é composta por dois braços de 4 quilômetros de comprimento conectados para formar um formato de “L”. Feixes de laser viajam por cada braço, atingem grandes espelhos suspensos e depois viajam de volta para onde começaram. À medida que as ondas gravitacionais passam pela Terra, elas fazem com que os braços do LIGO se estiquem e se comprimam, tirando os feixes de laser de sincronia. Isso faz com que a luz nos dois feixes interfira um no outro de uma maneira específica, revelando a presença de ondas gravitacionais.
No entanto, o ruído quântico que se esconde dentro dos tubos de vácuo que envolvem os feixes de laser do LIGO pode alterar o tempo dos fótons nos feixes por quantidades minuciosamente pequenas. McCuller compara essa incerteza na luz do laser a uma lata de BBs. “Imagine despejar uma lata cheia de BBs. Todos eles atingem o chão e clicam e batem independentemente. Os BBs estão batendo no chão aleatoriamente, e isso cria um ruído. Os fótons de luz são como os BBs e atingem os espelhos do LIGO em tempos irregulares”, disse ele em uma entrevista ao Caltech.
As tecnologias de squeezing que estão em vigor desde 2019 fazem “os fótons chegarem mais regularmente, como se os fótons estivessem de mãos dadas em vez de viajarem independentemente”, disse McCuller. A ideia é tornar a frequência, ou o tempo, da luz mais certa e a amplitude, ou potência, menos certa como uma forma de abafar os efeitos semelhantes aos BBs dos fótons. Isso é realizado com a ajuda de cristais especializados que essencialmente transformam um fóton em um par de dois fótons emaranhados, ou conectados, com menor energia. Os cristais não comprimem diretamente a luz nos feixes de laser do LIGO; em vez disso, eles comprimem a luz dispersa no vácuo dos tubos do LIGO, e essa luz interage com os feixes de laser para indiretamente comprimir a luz do laser.
“A natureza quântica da luz cria o problema, mas a física quântica também nos dá a solução”, diz Barsotti.
O conceito de squeezing em si remonta ao final dos anos 1970, começando com estudos teóricos do falecido físico russo Vladimir Braginsky; Kip Thorne, Professor Emérito de Física Teórica Richard P. Feynman do Caltech; e Carlton Caves, um ex-bolsista de pesquisa do Caltech agora na Universidade do Novo México. Os pesquisadores estavam pensando nos limites das medições e comunicações baseadas em quântica, e esse trabalho inspirou uma das primeiras demonstrações experimentais de squeezing em 1986 por H. Jeff Kimble, Professor Emérito de Física William L. Valentine do Caltech. Kimble comparou a luz comprimida a um pepino; a certeza das medições de luz é empurrada para apenas uma direção, ou característica, transformando “repolhos quânticos em pepinos quânticos”, escreveu ele em um artigo na revista Engineering & Science do Caltech em 1993.
Em 2002, os pesquisadores começaram a pensar em como comprimir a luz nos detectores do LIGO, e, em 2008, a primeira demonstração experimental da técnica foi alcançada na instalação de teste de 40 metros no Caltech. Em 2010, pesquisadores do MIT desenvolveram um design preliminar para um compressor do LIGO, que eles testaram no site de Hanford do LIGO. Trabalhos paralelos realizados no detector GEO600 na Alemanha também convenceram os pesquisadores de que o squeezing funcionaria. Nove anos depois, em 2019, após muitos testes e trabalho em equipe cuidadoso, o LIGO começou a comprimir a luz pela primeira vez.
“Passamos por muita resolução de problemas”, diz Sheila Dwyer, que trabalha no projeto desde 2008, primeiro como estudante de pós-graduação no MIT e depois como cientista no Observatório LIGO Hanford a partir de 2013. “O squeezing foi pensado pela primeira vez no final dos anos 1970, mas levou décadas para acertar.”
No entanto, como observado anteriormente, há uma compensação que vem com o squeezing. Ao mover o ruído quântico para fora do tempo, ou frequência, da luz do laser, os pesquisadores colocam o ruído na amplitude, ou potência, da luz do laser. Os feixes de laser mais potentes então empurram os espelhos pesados do LIGO, causando um estrondo de ruído indesejado correspondente a frequências mais baixas de ondas gravitacionais. Esses estrondos mascaram a capacidade dos detectores de sentir ondas gravitacionais de baixa frequência.
“Mesmo que estejamos utilizando a compressão para organizar nosso sistema, reduzindo o caos, isso não significa que estamos vencendo em todos os aspectos”, diz Dhruva Ganapathy, um estudante de pós-graduação no MIT e um dos quatro co-autores principais do novo estudo. “Ainda estamos limitados pelas leis da física.” Os outros três autores principais do estudo são o estudante de pós-graduação do MIT Wenxuan Jia, o pesquisador de pós-doutorado do LIGO Livingston Masayuki Nakano e a pesquisadora de pós-doutorado do MIT Victoria Xu.
Infelizmente, esse incômodo zumbido se torna ainda mais problemático quando a equipe do LIGO aumenta a potência de seus lasers. “Tanto a compressão quanto o ato de aumentar a potência melhoram nossa precisão de detecção quântica a ponto de sermos afetados pela incerteza quântica”, diz McCuller. “Ambos causam mais impulso de fótons, o que leva ao zumbido dos espelhos. A potência do laser simplesmente adiciona mais fótons, enquanto a compressão os torna mais aglomerados e, portanto, mais ruidosos.”
A solução é comprimir a luz de uma maneira para altas frequências de ondas gravitacionais e de outra maneira para baixas frequências. É como alternar entre comprimir um balão de cima para baixo e dos lados.
Isso é alcançado pelo novo cavidade de compressão dependente de frequência do LIGO, que controla as fases relativas das ondas de luz de tal forma que os pesquisadores podem seletivamente mover o ruído quântico para diferentes características da luz (fase ou amplitude) dependendo da faixa de frequência das ondas gravitacionais.
“É verdade que estamos fazendo essa coisa quântica realmente legal, mas a verdadeira razão para isso é que é a maneira mais simples de melhorar a sensibilidade do LIGO”, diz Ganapathy. “Caso contrário, teríamos que aumentar o laser, o que tem seus próprios problemas, ou teríamos que aumentar muito o tamanho dos espelhos, o que seria caro.”
O observatório parceiro do LIGO, Virgo, provavelmente também usará a tecnologia de compressão dependente de frequência durante a execução atual, que continuará até aproximadamente o final de 2024. Os detectores de ondas gravitacionais de próxima geração, como o planejado Cosmic Explorer baseado em terra, também colherão os benefícios da luz comprimida.
Com sua nova cavidade de compressão dependente de frequência, o LIGO agora pode detectar ainda mais colisões de buracos negros e estrelas de nêutrons. Ganapathy diz que está mais empolgado com a captura de mais colisões de estrelas de nêutrons. “Com mais detecções, podemos assistir as estrelas de nêutrons se despedaçarem e aprender mais sobre o que há dentro.”
“Finalmente estamos tirando vantagem de nosso universo gravitacional”, diz Barsotti. “No futuro, podemos melhorar ainda mais nossa sensibilidade. Eu gostaria de ver até onde podemos chegar.”
O estudo do Physical Review X é intitulado “Aprimoramento quântico de banda larga dos detectores LIGO com compressão dependente de frequência”. Muitos outros pesquisadores contribuíram para o desenvolvimento do trabalho de compressão e compressão dependente de frequência, incluindo Mike Zucker do MIT e GariLynn Billingsley do Caltech, os líderes das atualizações “Advanced LIGO Plus” que incluem a cavidade de compressão dependente de frequência; Daniel Sigg do Observatório LIGO Hanford; Adam Mullavey do Laboratório LIGO Livingston; e o grupo de David McClelland da Universidade Nacional Australiana.
A Colaboração LIGO–Virgo–KAGRA opera uma rede de detectores de ondas gravitacionais nos Estados Unidos, Itália e Japão. O Laboratório LIGO é operado pelo Caltech e pelo MIT, e é financiado pela NSF com contribuições para os detectores Advanced LIGO da Alemanha (Sociedade Max Planck), do Reino Unido (Conselho de Instalações de Ciência e Tecnologia) e da Austrália (Conselho de Pesquisa Australiano). O Virgo é gerido pelo Observatório Gravitacional Europeu (EGO) e é financiado pelo Centro Nacional de Pesquisa Científica (CNRS) na França, pelo Instituto Nacional de Física Nuclear (INFN) na Itália e pelo Instituto Nacional de Física Subatômica (Nikhef) nos Países Baixos. O KAGRA é sediado no Instituto de Pesquisa de Raios Cósmicos (ICRR) da Universidade de Tóquio e co-sediado pelo Observatório Astronômico Nacional do Japão (NAOJ) e pela Organização de Pesquisa de Aceleradores de Alta Energia (KEK).
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