Observatório quebra limite quântico para detectar eventos cósmicos

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O Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferômetro a Laser (Ligo, na sigla em inglês), dos EUA, conseguiu ultrapassar limitações quânticas, elevando sua sensibilidade a um novo patamar. Isso foi possível por meio de uma técnica inovadora chamada compressão dependente de frequência.

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Para quem tem pressa:

• O Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferômetro a Laser (Ligo) nos EUA superou limitações quânticas para elevar sua sensibilidade;
• A técnica utilizada, chamada compressão dependente de frequência, permitiu ao Ligo identificar até 60% mais fusões de estrelas mortas;
• O observatório opera detectando distorções no espaço-tempo causadas por colisões de buracos negros e estrelas de nêutrons a bilhões de anos-luz de distância;
• A compressão dependente de frequência atua como um amplificador, elevando os sinais acima do ruído quântico, permitindo uma precisão maior na detecção de ondas gravitacionais;
• Esta inovação, que promete aumentar significativamente as observações de colisões de buracos negros e estrelas de nêutrons, representa um avanço na exploração do Universo gravitacional.

Esse marco abre um novo horizonte de descobertas no campo da astronomia. Os resultados dessa pesquisa serão publicados no periódico Physical Review X. As informações foram divulgadas pelo Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT).

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Novo patamar

Agora, o detector de ondas gravitacionais tem a capacidade de identificar até 60% mais fusões de estrelas mortas em comparação com suas taxas anteriores. Isso significa cerca de uma ou duas detecções por semana.

Agora que ultrapassamos esse limite quântico, podemos fazer muito mais astronomia. O Ligo usa lasers e espelhos grandes para fazer suas observações, mas estamos trabalhando em um nível de sensibilidade que significa que o dispositivo é afetado pelo reino quântico.

Lee McCuller, físico do Instituto de Tecnologia da Califórnia (Caltech)

O observatório opera detectando distorções no espaço-tempo causadas pela colisão de buracos negros e estrelas de nêutrons, eventos que ocorrem a bilhões de anos-luz de distância.

Isso gera ondas gravitacionais, que são como as ondulações num lago, embora humanos não consigam senti-las. Essas ondas podem ser detectadas através de minúsculas variações no percurso da luz ao longo de um túnel de extensão inimaginável.

Superando o limite quântico

O desafio para o Ligo surgia quando entrava no reino quântico, no qual partículas emergem de maneira aleatória, gerando um constante ruído quântico de fundo que supera qualquer sinal detectável.

A técnica de compressão dependente de frequência atua como um amplificador, elevando os sinais acima do ruído quântico, de forma parecida a apertar uma bexiga (meio vazia) numa ponta forte o suficiente para a outra crescer. Embora ganhe precisão em certos aspectos, a técnica também implica em perda de precisão em outras áreas.

O Ligo já havia incorporado a tecnologia de compressão dependente de frequência em 2019, mas a atualização mais recente – que quebrou a barreira quântica – oferece uma flexibilidade muito maior. Agora, a luz pode ser comprimida de diversas maneiras para intensificar a frequência das ondas gravitacionais procuradas pelos cientistas.

Como funciona

Essa inovação funciona por meio de cristais que transformam fótons individuais em dois fótons emaranhados, com energia menor. Esses fótons interagem com os feixes de laser que percorrem os túneis do Ligo, alterando a luz do laser conforme desejado.

A compressão dependente de frequência opera desde o início da atual execução de observação do observatório, em maio, e será implementada ao detector Virgo, na Itália, antes do término desta execução.

Esse marco promete um aumento significativo no número de colisões de buracos negros e estrelas de nêutrons observadas no Universo.

Finalmente estamos explorando nosso Universo gravitacional. No futuro, podemos aprimorar ainda mais nossa sensibilidade. Mal posso esperar para ver até onde podemos chegar.

Lisa Barsotti, pesquisadora do MIT