O Professor Kip S. Thorne ganhou o Prêmio Nobel de Física em 2017, juntamente com os Professores Rainer Weiss e Barry Barish, por suas contribuições decisivas ao detector LIGO e à observação de ondas gravitacionais.

Como o LIGO surgiu

Ondas gravitacionais são perturbações na estrutura do espaço e do tempo (Figura 1). Quando um evento astronômico extremo ocorre no universo, como uma colisão entre dois buracos negros, ele cria “ondulações” no próprio espaço, que se espalham por todo o universo à velocidade da luz. Sou fascinado por ondas gravitacionais desde que era um jovem pesquisador. Já em meados da década de 1960, eu trabalhava na teoria das ondas gravitacionais e nas fontes dessas ondas. Inicialmente, meu objetivo era entender como as ondas gravitacionais são emitidas e como esse processo de emissão afeta a fonte que as emite.

Mas então, em 1969, um colega meu chamado Joseph Weber anunciou que poderia ter detectado ondas gravitacionais [1]. Embora, depois de alguns anos, tenha ficado claro que Weber não estava realmente observando ondas gravitacionais, fiquei fascinado pelas questões de se havia uma maneira de detectar essas ondas com boa probabilidade de sucesso e o que poderíamos aprender com elas se tivéssemos sucesso.

O que mais me entusiasmou foi a oportunidade de criar um novo campo científico — a astronomia de ondas gravitacionais — que poderia se tornar uma ferramenta poderosa para explorar o universo nas próximas décadas e séculos. Percebi que a astronomia de ondas gravitacionais nos daria uma nova “janela” através da qual poderíamos observar o universo, e poderia potencialmente revolucionar nossa compreensão de como o universo funciona. A capacidade de detectar ondas gravitacionais nos permitiria estudar uma enorme gama de fenômenos que antes não podíamos estudar de forma alguma, ou não podíamos estudar adequadamente [2], incluindo as propriedades de buracos negros, supernovas e as origens do universo.

Em 1972, outro colega meu, Rainer Weiss, propôs um novo método para detectar ondas gravitacionais, baseado em medições a laser [3]. No início, eu era muito cético, mas depois de três anos de discussão e estudo, convenci-me de que poderia dar certo; então, decidi que, como teórico, dedicaria grande parte do resto da minha carreira a ajudar Weiss e seus colegas físicos experimentais a alcançarem o sucesso. Usando nosso conhecimento das propriedades esperadas das ondas gravitacionais, estimamos que poderíamos fechar as lacunas tecnológicas e científicas restantes e construir uma tecnologia de detecção bem-sucedida em aproximadamente 20 anos. No final, levamos cerca de 40 anos para construir o Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferômetro a Laser (LIGO) e detectar as primeiras ondas gravitacionais medidas em 2015 [4] — mas valeu a pena o esforço.

Contribuições para o LIGO

O detector LIGO contém um laser que emite um feixe de luz em direção a um elemento chamado divisor de feixe (Figura 2). O divisor de feixe divide a luz em duas rotas perpendiculares chamadas braços do detector, que contêm espelhos que refletem o feixe de luz centenas de vezes. Os feixes dos dois braços vazam através de seus espelhos de entrada e interferem no divisor de feixe para produzir um sinal de luz de saída em um detector de fótons. O LIGO funciona com base no princípio de que, quando uma onda gravitacional o atinge, a onda comprime um braço do detector e alonga o outro, e vice-versa, de forma alternada, fazendo com que a intensidade do feixe de luz de saída aumente e diminua (para ver uma simulação desse processo, assista a este vídeo).

Para medir a onda gravitacional, precisamos ser capazes de detectar mudanças extremamente pequenas no comprimento dos braços do detector. De fato, para as ondas gravitacionais mais fortes detectadas pelo LIGO, a mudança que precisamos medir é 10²¹ vezes menor que o comprimento do próprio braço. No LIGO, os braços têm 4 km de comprimento, então devemos ser capazes de detectar mudanças na ordem de 4 × 10^-18 metros — cerca de 1.000 vezes menor do que o núcleo de um átomo!

Uma grande parte do trabalho que meus alunos e eu fizemos para o detector LIGO foi prever e abordar problemas atuais e futuros com a sensibilidade de detecção. Queríamos principalmente entender o ruído (erros causados ​​principalmente por movimentos indesejados de diferentes elementos no detector) e encontrar maneiras de reduzir o ruído o máximo possível.

Uma fonte séria de ruído — uma fonte da qual os cientistas do LIGO estavam alheios até que um aluno meu chamado Yuri Levin a apontou — são os revestimentos que usamos em nossos espelhos (os retângulos coloridos na Figura 2). Quando a luz reflete em um espelho comum, parte dela é refletida e parte passa através do espelho. Para maximizar a quantidade de luz refletida pelos espelhos do LIGO — para que tenhamos o sinal mais forte possível chegando ao nosso detector de fótons — os experimentadores os revestem com camadas finas alternadas de dois materiais dielétricos muito diferentes; a espessura de cada camada deve ser ¼ do comprimento de onda da luz do laser (você consegue descobrir por quê?).

Para tornar as medições do LIGO o mais precisas possível, queríamos que o feixe de luz em cada braço refletisse para frente e para trás por um período equivalente à metade do período das ondas gravitacionais mais longas que buscamos, o que significa algumas centenas de reflexões (aprisionar a luz por mais tempo não nos traz nenhum benefício; você consegue descobrir por quê?). Para atingir centenas de reflexões, usamos mais de uma dúzia de camadas de revestimento.

Meu aluno Yuri Levin descobriu que, à temperatura ambiente, as vibrações desses revestimentos produzem ruído térmico grave — flutuações (pequenos movimentos) da matéria resultantes do calor — o que foi uma grande surpresa para os pesquisadores. Embora as amplitudes das vibrações do revestimento possam parecer extremamente pequenas — da ordem de 10^-15 metros — elas são enormes, considerando que queríamos medir mudanças de cerca de 10^-18 metros nas posições dos espelhos. Levin descobriu a gravidade do ruído térmico do revestimento inventando primeiro uma maneira nova e muito inteligente de descobrir quanto ruído térmico vem de várias partes do detector [5] (seus revestimentos de espelho, os fios pelos quais os espelhos pendem, a sílica fundida dos próprios espelhos sólidos, …).

O trabalho de Levin abriu caminho para outros cientistas abordarem outras fontes de ruído térmico — algumas das quais, como o ruído do revestimento de espelho, os cientistas do LIGO desconheciam completamente.

Outro dos meus alunos de física teórica, Carlton Caves, revolucionou nossa compreensão do ruído quântico, decorrente das flutuações aleatórias e irremovíveis que a teoria quântica impõe a tudo, nos detectores do LIGO. O ruído quântico vem de flutuações aleatórias que são uma característica fundamental, onipresente e irremovível do nosso universo. No LIGO, antes de Caves, conhecíamos dois tipos de ruído quântico: o primeiro são flutuações aleatórias na chegada dos fótons do feixe de luz ao detector de fótons que os mede; o segundo eram flutuações aleatórias nos fótons refletindo nos espelhos e, assim, fazendo com que as posições dos espelhos flutuassem aleatoriamente [6].

A parte intrigante era que cada um desses dois ruídos tinha que surgir de diferenças entre as maneiras como os fótons se comportavam nos dois braços do LIGO (caso contrário, o detector não teria detectado o ruído, pois ele se cancelaria). Não conseguíamos entender o que causava essas diferenças no comportamento dos fótons até que Caves descobriu [7].

Caves percebeu que a fonte dos dois tipos de ruído era um fenômeno chamado flutuações de vácuo (Figura 2), que são flutuações inerentes do campo eletromagnético que permanecem quando todo o resto foi removido, ou seja, que permanecem “no vácuo”. Descobriu-se que as flutuações de vácuo produtoras de ruído entraram em nosso sistema “de trás para frente”, do detector de fótons para os braços do LIGO. Elas se sobrepuseram à luz do laser nos dois braços de forma oposta: ao fazer a intensidade total da luz flutuar para cima em um braço, elas fazem com que a do outro flutue para baixo. Essa foi a causa do estranho ruído quântico do LIGO. Para reduzir esse ruído quântico, Caves concebeu um método sofisticado, chamado compressão do vácuo [7], que se tornou a base para uma tecnologia totalmente nova chamada medição de precisão quântica, que hoje desempenha um papel importante no LIGO [8].

Planos futuros para detectores de ondas gravitacionais

Em nosso trabalho com o LIGO, tivemos um fluxo constante de desafios a enfrentar. Grande parte do nosso aprendizado aconteceu à medida que avançávamos, enquanto continuávamos tentando aprimorar nossos detectores. Nossos detectores LIGO iniciais atingiram o ápice de seu desempenho em 2010 — o suficiente para ver estrelas de nêutrons espiralando juntas a cerca de 50 milhões de anos-luz da Terra — mas não vimos nenhum sinal de ondas gravitacionais.

Em 2008, começamos a trabalhar na próxima geração de detectores LIGO, chamada Advanced LIGO. Como uma grande melhoria, meus colegas do LIGO mudaram a forma como os espelhos estavam pendurados, para reduzir a influência das vibrações da Terra nos detectores, ao mesmo tempo em que reduziam o ruído térmico dos próprios fios (Figura 3A). Eles também incorporaram revestimentos de espelho melhores, que produzem menos ruído térmico e têm melhor refletividade.

Essas e muitas outras melhorias reduziram o ruído o suficiente, até setembro de 2015, para que os detectores avançados pudessem ver 5 vezes mais longe do que o detector inicial (e assim observar um volume do universo 5³ = 125 vezes maior do que em 2010). Isso foi suficiente para nos trazer à tona nossa maravilhosa primeira descoberta de ondas gravitacionais. Aprimoramentos adicionais, incluindo a tecnologia de medição de precisão quântica baseada em compressão de Caves, levaram o LIGO de cerca de uma colisão de buracos negros a cada 6 semanas em 2015 para cerca de uma a cada 3 dias em 2023. E eu estimo que, até o final da década de 2020, ocorrerão várias colisões por dia. Isso representará uma melhoria de aproximadamente 100 vezes em relação a 2015!

Outro projeto do LIGO, chamado LIGO Índia, foi aprovado em 2016 e espera-se que esteja totalmente operacional até 2030. Dispor deste terceiro local do LIGO na Índia deve melhorar nossa capacidade de descobrir a origem das ondas gravitacionais. Ao analisar as diferenças nos tempos de chegada das ondas nos diferentes detectores (os três do LIGO nos Estados Unidos e na Índia, um quarto chamado Virgo na Itália e um quinto no Japão chamado KAGRA), podemos deduzir a localização no céu de onde as ondas se originaram.

O detector VIRGO (originalmente uma colaboração ítalo-francesa, agora com colaboração dos Países Baixos, Polônia, Hungria e Espanha) foi concluído em 2003. Começou a fazer observações em 2017 e, juntamente com o LIGO, em agosto de 2017 descobriu a primeira colisão de duas estrelas de nêutrons. O KAGRA no Japão (Figura 3B), cuja construção começou em 2010, está localizado no subsolo e seus espelhos são resfriados a -250 °C para reduzir o ruído térmico. Suas primeiras observações bem-sucedidas começaram em 25 de maio de 2023. LIGO, VIRGO e KAGRA têm braços de 3 ou 4 quilômetros de comprimento e podem medir ondas gravitacionais com frequências semelhantes, na faixa de cerca de 10 a 1.000 Hertz (Hz).

Há um plano para construir dois detectores de ondas gravitacionais terrestres muito maiores, que serão capazes de detectar ondas muito mais fracas do que LIGO, Virgo e KAGRA. Esses projetos são chamados de Telescópio Einstein (a ser construído na Europa com braços de 10 km) e Cosmic Explorer (a ser construído na América do Norte com braços de 40 km). A previsão é que estejam operacionais no final da década de 2030.

Estudando o universo com ondas gravitacionais

O mais empolgante sobre as ondas gravitacionais é que elas podem nos ensinar sobre a natureza do espaço e do tempo, sobre as propriedades e o comportamento de buracos negros — um objeto feito de espaço-tempo distorcido, que possui uma força gravitacional tão forte que nada que caia através de sua superfície (seu horizonte) consegue retornar — e outros fenômenos feitos total ou parcialmente de espaço-tempo distorcido (“o lado distorcido do nosso universo”), e até mesmo sobre as origens do nosso universo.

Uma das perguntas mais intrigantes para mim, pessoalmente, é: quais são os detalhes do nascimento do nosso universo no Big Bang e das leis mal compreendidas da gravidade quântica que governaram o Big Bang? A física quântica garante que algumas ondas gravitacionais — pelo menos as flutuações gravitacionais do vácuo — emergiram do Big Bang e carregam informações sobre seus detalhes. Nós, físicos, temos quase certeza de que essas ondas primordiais (ou flutuações) foram grandemente amplificadas por uma expansão “inflacionária” precoce e muito rápida do nosso universo, a ponto de produzir ondas gravitacionais fortes o suficiente para serem detectadas nas próximas décadas por dois tipos diferentes de detectores: um sucessor do LISA e pela polarização de micro-ondas cósmicas.

Estou otimista de que ambos terão sucesso na detecção de ondas gravitacionais primordiais e que essas observações desempenharão um papel importante na elucidação de detalhes do Big Bang e das leis da gravidade quântica — embora talvez só em meados deste século 21. Isso pode inaugurar uma nova e maravilhosa revolução em nossa compreensão do universo.

Quero terminar compartilhando um conselho que recebi quando criança. Quando eu tinha 4 anos, meu avô me disse que, se eu crescer e tiver um trabalho que pareça uma brincadeira, poderei ter grande sucesso na vida. Se parecer uma brincadeira, vou me esforçar muito, e esse trabalho prazeroso realmente valerá a pena. Eu o ouvi e escolhi a física como minha profissão. Para mim, a física é como uma brincadeira, eu gostei muito e obtive algum sucesso. Então, meu conselho para você é: tente encontrar uma carreira que seja significativa para você e que você realmente ame. Esse amor lhe dará a força necessária para se esforçar o suficiente para se tornar verdadeiramente bem-sucedido.

Glossário

Ruído: Erros de medição causados ​​por flutuações de vários elementos no detector, como revestimentos de espelhos, fios pelos quais os espelhos pendem e fótons nos feixes de luz do detector.

Ruído Térmico: Flutuações (pequenos movimentos) da matéria resultantes do calor.

Ruído Quântico: Ruído decorrente das flutuações aleatórias e irremovíveis que a teoria quântica impõe a tudo.

Buraco Negro: Um objeto, feito de espaço-tempo deformado, que possui uma força gravitacional tão forte que nada que atravessa sua superfície (seu horizonte) consegue retornar.

Referências

[1] Weber, J. 1969. Evidence for discovery of gravitational radiation. Phys. Rev. Lett. 22:1320. doi: 10.1103/PhysRevLett.22.1320

[2] Press, W. H., e Thorne, K. S. 1972. Gravitational-wave astronomy. Ann. Rev. Astron. Astrophys. 10:335–74. doi: 10.1146/annurev.aa.10.090172.002003

[3] Weiss, R. 1972. Electronically Coupled Broadband Gravitational Antenna. Quarterly Progress Report of the Research Laboratory of Electronics, Massachusetts Institute of Technology, No. 105, 54.

[4] Abbott, B. P., Abbott, R., Abbott, T. D., Abernathy, M. R., Acernese, F., Ackley, K., et al. 2016. GW150914: the advanced LIGO detectors in the era of first discoveries. Phys. Rev. Lett. 116:131103. doi: 10.1103/PhysRevLett.116.131103

[5] Levin, Y. 1998. Internal thermal noise in the LIGO test masses: a direct approach. Phys. Rev. D 57, 659. doi: 10.1103/PhysRevD.57.659

[6] Thorne, K. S. 2018. Nobel lecture: LIGO and gravitational waves III. Rev. Mod. Phys. 90:040503. doi: 10.1103/RevModPhys.90.040503

[7] Caves, C. M. 1981. Quantum-mechanical noise in an interferometer. Phys. Rev. D 23:1693. doi: 10.1103/PhysRevD.23.1693

[8] ↑ Ganapathy, D., Jia, W., Nakano, M., Xu, V., Aritomi, N., Cullen, T., et al. (LIGO O4 Detector Collaboration) 2023. Broadband quantum enhancement of the LIGO detectors with frequency-dependent squeezing. Phys. Rev. X 13:041021. doi: 10.1103/PhysRevX.13.041021

Citação

Thorne KS (2024) Gravitational Wave Detectors—Past, Present, and Future. Front. Young Minds. 12:1250122. doi: 10.3389/frym.2024.1250122.

Como material de apoio para este artigo, recomenda-se a leitura de um artigo publicado anteriormente sobre ondas gravitacionais pelo Prêmio Nobel, Prof. Barry Barish.

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