DETECTORES DE ONDAS GRAVITACIONAIS GIGANTES, PODEM OUVIR MURMÚRIOS DE TODO O UNIVERSO.

Fonte: Revista Science

Apenas 5 anos atrás, os físicos abriram uma nova janela para o universo quando detectaram pela primeira vez as ondas gravitacionais, ondulações no próprio espaço quando buracos negros massivos ou estrelas de nêutrons colidem. Mesmo com as descobertas chegando, os pesquisadores já estão planejando detectores maiores e mais sensíveis. E surgiu um tipo de rivalidade entre Ford e Ferrari, com cientistas nos Estados Unidos simplesmente propondo detectores maiores e pesquisadores na Europa buscando um design mais radical.

“No momento, estamos captando apenas os eventos mais raros e barulhentos, mas há muito mais murmúrios pelo universo”, diz Jocelyn Read, astrofísica da California State University, Fullerton, que está trabalhando no esforço dos EUA. Os físicos esperam que os novos detectores funcionem na década de 2030, o que significa que eles precisam começar a planejar agora, diz David Reitze, físico do Instituto de Tecnologia da Califórnia (Caltech). “As descobertas das ondas gravitacionais cativaram o mundo, então agora é um ótimo momento para pensar no que vem a seguir.”

Os detectores de corrente são todos instrumentos em forma de L chamados interferômetros (veja o diagrama abaixo). A luz laser ricocheteia entre os espelhos suspensos em cada extremidade de cada braço e parte dela vaza para se encontrar na curva do L. Lá, a luz interfere de uma maneira que depende do comprimento relativo dos braços. Ao monitorar essa interferência, os físicos podem detectar uma onda gravitacional passageira, que geralmente fará com que os comprimentos dos braços oscilem em diferentes quantidades.

Para conter outras vibrações, o interferômetro deve ser alojado em uma câmara de vácuo e os espelhos pesados ​​pendurados em sofisticados sistemas de suspensão. E para detectar o pequeno alongamento do espaço, os braços do interferômetro devem ser longos. No Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), instrumentos gêmeos no estado de Louisiana e Washington que detectaram a primeira onda gravitacional de dois buracos negros girando um no outro, os braços têm 4 quilômetros de comprimento. O detector de Virgem da Europa, na Itália, tem braços de 3 quilômetros de comprimento. Apesar dos tamanhos dos detectores, uma onda gravitacional altera o comprimento relativo de seus braços em menos do que a largura de um próton.

As dezenas de fusões de buracos negros que LIGO e Virgo observaram mostraram que os buracos negros de massa estelar, criados quando estrelas massivas colapsam em pontos, são mais variados em massa do que os teóricos esperavam . Em 2017, LIGO e Virgo deram outra revelação, detectando duas estrelas de nêutrons em espiral juntas e alertando os astrônomos sobre a localização da fusão no céu. Em poucas horas, telescópios de todos os tipos estudaram as consequências da “kilonova” resultante, observando como a explosão forjou elementos pesados ​​copiosos . 

Os pesquisadores agora querem um detector 10 vezes mais sensível, que eles dizem ter um potencial incompreensível. Ele poderia detectar todas as fusões de buracos negros dentro do universo observável e até mesmo voltar ao tempo antes das primeiras estrelas para procurar buracos negros primordiais que se formaram no big bang. Ele também deve detectar centenas de quilonovas, revelando a natureza da matéria ultradensa nas estrelas de nêutrons.

A visão dos EUA para essa máquina dos sonhos é simples. “Vamos torná-lo muito, muito grande”, diz Read, que está ajudando a projetar o Cosmic Explorer, um interferômetro com braços de 40 quilômetros de comprimento – essencialmente, um detector LIGO com escala 10 vezes maior. O “design padronizado” pode permitir que os Estados Unidos tenham vários detectores amplamente separados, o que ajudaria a localizar fontes no céu como o LIGO e o Virgem fazem agora, diz Barry Barish, um físico da Caltech que dirigiu a construção do LIGO.

Posicionar esses gigantescos coletores de ondas pode ser complicado. Os braços de 40 quilômetros devem ser retos, mas a Terra é redonda. Se a curva do L ficar no chão, as pontas dos interferômetros podem ter que repousar em bermas de 30 metros de altura. Assim, os pesquisadores americanos esperam encontrar áreas em forma de tigela que possam acomodar a estrutura de forma mais natural.

Em contraste, os físicos europeus imaginam um único observatório subterrâneo de ondas gravitacionais, chamado Telescópio de Einstein (ET), que faria tudo. “Queremos criar uma infraestrutura que seja capaz de hospedar todas as evoluções [dos detectores] por 50 anos”, diz Michele Punturo, física do Instituto Nacional de Física Nuclear da Itália em Perugia e co-presidente do comitê de direção do ET.

O ET compreenderia vários interferômetros em forma de V com braços de 10 quilômetros de comprimento, dispostos em um triângulo equilátero no subsolo para ajudar a proteger contra as vibrações. Com interferômetros apontados em três direções, o ET poderia determinar a polarização das ondas gravitacionais – a direção na qual elas estendem o espaço – para ajudar a localizar fontes no céu e sondar a natureza fundamental das ondas.

Os túneis na verdade abrigariam dois conjuntos de interferômetros. Os sinais detectados por LIGO e Virgem zumbem em frequências que variam de cerca de 10 a 2.000 ciclos por segundo e aumentam como um par de objetos em espiral. Mas captar frequências mais baixas de apenas alguns ciclos por segundo abriria novos reinos. Para detectá-los, um segundo interferômetro que usa um laser de baixa potência e espelhos resfriados quase até o zero absoluto seria instalado em cada canto do ET. (Esses espelhos já estão em uso no Detector de Ondas Gravitacionais Kamioka do Japão (KAGRA), que tem braços de 3 quilômetros e está se esforçando para alcançar o LIGO e o Virgo.)

Ao ir para frequências mais baixas, o ET pode detectar a fusão de buracos negros centenas de vezes mais massivos que o sol. Ele também pode capturar pares de estrelas de nêutrons horas antes de eles realmente se fundirem, dando aos astrônomos um aviso prévio de explosões de quilonova, diz Marica Branchesi, astrônoma do Instituto de Ciência Gran Sasso da Itália. “A emissão precoce [de luz] é extremamente importante, porque há muita física lá”, diz ela.

O ET deve custar € 1,7 bilhão, incluindo € 900 milhões para a construção de túneis e infraestrutura básica, diz Punturo. Os pesquisadores estão considerando dois locais, um perto do local onde a Bélgica, Alemanha e Holanda se encontram e outro na ilha da Sardenha. O plano está sendo revisado pelo European Strategy Forum on Research Infrastructures, que pode colocar o ET em sua lista de tarefas neste verão. “Este é um passo político importante”, diz Punturo, mas não a aprovação final para a construção.

A proposta dos EUA é menos madura. Os pesquisadores querem que a National Science Foundation forneça US $ 65 milhões para o trabalho de design para que uma decisão sobre a máquina de um bilhão de dólares possa ser tomada em meados da década de 2020, diz Barish. Os físicos esperam ter o Cosmic Explorer e o ET funcionando em meados da década de 2030, ao mesmo tempo que a planejada Antena Espacial do Interferômetro a Laser, uma constelação de três espaçonaves com milhões de quilômetros de distância que detectará ondas gravitacionais de frequências muito mais baixas do preto supermassivo buracos no centro das galáxias.

O impulso para novos detectores de ondas gravitacionais não é necessariamente uma competição. “O que realmente queremos é ter ET e Cosmic Explorer e, idealmente, até mesmo um terceiro detector de sensibilidade semelhante”, diz Stefan Hild, um físico da Universidade de Maastricht que trabalha com ET. Reitze observa, no entanto, que o tempo e o custo podem “impulsionar a convergência e a simplicidade nos projetos”. Em vez de um Ford e uma Ferrari, talvez os físicos acabem construindo alguns Audis.

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