Do tradutor:
Este artigo é uma espécie de anúncio do possível. O professor David Blair resume o trabalho científico abrindo caminho para aumentar a sensibilidade dos detectores de ondas gravitacionais em 40 vezes ou mais. Na prática, esse anúncio significa que em breve provavelmente veremos programas de ciência popular completamente diferentes sobre o espaço. E isso, é claro, é apenas a cereja do bolo. Os detectores são uma ordem de magnitude mais sensíveis - este é um novo conhecimento sobre a física do espaço. A perspectiva é hipnotizante, então não pude deixar de traduzir esse texto e compartilhá-lo.
Em 2017, astrônomos testemunharam o nascimento de um buraco negro pela primeira vez. Os detectores de ondas gravitacionais detectaram as ondulações no espaço-tempo causadas pela colisão de duas estrelas de nêutrons que formaram um buraco negro, e então outros telescópios observaram o resultado - uma explosão.
Mas os detalhes reais de como o buraco negro se formou, os detalhes do movimento da matéria momentos antes de ser escondida no horizonte de eventos, passaram despercebidos. Isso porque as ondas gravitacionais lançadas nestes últimos momentos tinham uma frequência tão alta que os detectores de hoje não as captam. Se você pudesse ver como a matéria comum se transforma em um buraco negro, então seria algo semelhante ao Big Bang, mas na direção oposta. Os cientistas que projetam detectores de ondas gravitacionais trabalharam muito para descobrir como aumentar a sensibilidade dos detectores para que eles pudessem observar a transformação da matéria comum em um buraco negro.
Hoje nossa equipe está publicando um artigo, que explica como aumentar a sensibilidade dos detectores. A solução proposta pode tornar os detectores 40 vezes mais sensíveis às ondas de alta frequência de que precisamos, permitindo aos astrônomos ouvir a matéria conforme ela se forma em buracos negros. Estamos falando sobre a criação de novos pacotes incomuns de energia (ou "quanta"), que são uma mistura de dois tipos de vibrações quânticas. Para atingir a sensibilidade necessária, os dispositivos baseados nesta tecnologia podem ser acoplados aos detectores de ondas gravitacionais existentes.
Problemas quânticos
Detectores de gravidade, como o Observatório de Ondas Gravitacionais de Interferômetro a Laser, nos EUA, usam lasers para medir mudanças incrivelmente pequenas na distância entre dois espelhos. Os efeitos da mecânica quântica, a física de partículas individuais ou quanta de energia, desempenham um papel importante no funcionamento desses detectores, já que os lasers medem mudanças mil vezes menores que o tamanho de um único próton.
envolvendo dois tipos de pacotes de energia quântica diferentes previstos por Albert Einstein. Em 1905, Einstein previu que a luz viaja pelo espaço em pacotes de energia, que chamamos de fótons ; dois anos depois, o cientista previu que as energias térmicas e sonoras passam pelo espaço em outros pacotes de energia - fônons... Enquanto os fótons são amplamente usados na tecnologia moderna, os fônons são muito mais sofisticados nesse sentido. Fônons individuais geralmente estão imersos em um grande número de fônons aleatórios - o calor de seu próprio ambiente. Em detectores de ondas gravitacionais , os fônons reduzem a sensibilidade dos espelhos do detector quando eles saltam dentro deles.
Cinco anos atrás, os físicos perceberam que dispositivos que combinam fônons e fótons poderiam resolver o problema de sensibilidade insuficiente em altas frequências . Os cientistas mostraram que os dispositivos, nos quais a energia é transferida em pacotes quânticos, que têm as propriedades de fônons e fótons, também podem ter características muito notáveis.
Esses dispositivos envolvem uma mudança radical no conceito familiar denominado "amplificação ressonante". A amplificação ressonante ocorre quando você empurra levemente um balanço no playground: se você empurrá-lo no momento certo, pequenos solavancos levarão a grandes balanços. Um novo dispositivo , chamado WLC, deve amplificar todas as frequências igualmente. É como um swing, que pode ser empurrado a qualquer momento, ao mesmo tempo que atinge um ótimo swing. No entanto, ninguém ainda descobriu como fazer um desses dois dispositivos, porque os fônons dentro de tal dispositivo serão sobrecarregados com vibrações aleatórias que ocorrem devido ao aquecimento.
Soluções quânticas
Em nosso trabalho , publicado na Communications Physics , mostramos como dois projetos diferentes nos quais os cientistas estão trabalhando hoje podem aumentar a sensibilidade dos detectores.
- O Instituto Niels Bohr em Copenhagen está desenvolvendo dispositivos chamados cristais de fônon, nos quais as vibrações térmicas são controladas por uma estrutura de cristal esculpida em uma membrana fina.
- O Centro Australiano de Excelência para Engenharia de Sistemas Quantum também demonstrou um sistema alternativo em que os fônons são confinados dentro de lentes de quartzo ultrapuras.
O artigo mostra que ambos os sistemas satisfazem os requisitos necessários para criar "dispersão negativa" que propaga frequências de luz no oposto do padrão do arco-íris, dispersão essa que, por sua vez, é necessária para WLCs. Somados à parte posterior dos detectores de ondas gravitacionais existentes, ambos os sistemas poderiam melhorar a sensibilidade em frequências de vários quilohertz por um fator de 40 ou mais, o que é necessário para ouvir um buraco negro nascendo.
Qual é o próximo?
Nossa pesquisa não resolve imediatamente o problema de melhorar os detectores gravitacionais. Converter esses dispositivos em ferramentas práticas apresenta enormes desafios experimentais. Mas o estudo está abrindo caminho para o aumento de 40 vezes na sensibilidade dos detectores necessários para observar o nascimento de buracos negros.
Os astrofísicos previram formas complexas de ondas gravitacionais criadas pelas convulsões de estrelas de nêutrons à medida que esses gigantes formam buracos negros... Essas ondas gravitacionais podem nos permitir ouvir a física nuclear de uma estrela de nêutrons morrendo. Por exemplo, foi demonstrado que essas ondas podem mostrar claramente se os nêutrons permanecem nêutrons em uma estrela ou se eles decaem em um mar de quarks - as menores partículas subatômicas. Se pudéssemos ver como os nêutrons se transformam em quarks e depois desaparecem na singularidade de um buraco negro, o processo observado seria exatamente o oposto do Big Bang, quando as partículas que criaram nosso universo emergiram da singularidade.