LIGO é um observatório que mede ondas gravitacionais — pequenas ondas no espaço-tempo criadas por objetos massivos que aceleram, como buracos negros em colisão. Foi a primeira instalação a detectar diretamente essas ondas, fornecendo um forte apoio à Teoria da Relatividade de Einstein. Usando dois interferômetros a laser de 4 km de comprimento localizados em Washington e Louisiana, o LIGO percebe distúrbios incrivelmente pequenos, oferecendo aos cientistas uma nova maneira de estudar buracos negros, cosmologia e matéria em condições extremas.

O LIGO depende de espelhos que são alguns dos componentes mais cuidadosamente projetados da ciência moderna. Cada espelho tem 34 cm de diâmetro, 20 cm de espessura e pesa cerca de 40 kg. Para detectar distorções no espaço-tempo que são menores do que 1/1.000 da largura de um próton, esses espelhos devem permanecer quase perfeitamente imóveis. Mesmo pequenas vibrações ou ruídos ambientais podem ofuscar os fracos sinais de ondas gravitacionais que o LIGO está tentando detectar.

“No coração da nossa inovação está um novo dispositivo de óptica adaptativa projetado para remodelar precisamente as superfícies dos espelhos principais do LIGO sob potências de laser que excedem 1 megawatt — mais de um bilhão de vezes mais forte do que um ponteiro laser típico e quase cinco vezes a potência que o LIGO usa hoje”, disse Richardson, professor assistente de física e astronomia. “Essa tecnologia abre um novo caminho para o futuro da astronomia de ondas gravitacionais. É um passo crucial para permitir a próxima geração de detectores, como o Cosmic Explorer, que verá mais fundo no universo do que nunca.”

FROSTI: controle térmico de precisão para os espelhos do LIGO

FROSTI, abreviação de FROnt Surface Type Irradiator, é um sistema de controle de frente de onda de precisão projetado para cancelar as distorções produzidas quando a luz laser intensa aquece a óptica do LIGO. Os sistemas existentes só conseguem fazer correções relativamente grosseiras, mas o FROSTI utiliza um método de projeção térmica mais avançado para aplicar ajustes finos e de ordem superior às superfícies dos espelhos. Esse nível de controle é essencial para os requisitos de desempenho mais exigentes dos futuros detectores.

Apesar de seu nome gelado, o FROSTI opera aquecendo a superfície do espelho de uma maneira muito controlada que a retorna à sua forma óptica ideal. Usando radiação térmica, o sistema projeta um padrão de calor cuidadosamente elaborado sobre o espelho. Isso suaviza as distorções ópticas enquanto evita ruídos adicionais que poderiam ser confundidos com sinais reais de ondas gravitacionais.

Por que óticas melhores são importantes para a astronomia de ondas gravitacionais

As ondas gravitacionais foram detectadas pela primeira vez pelo LIGO em 2015, marcando o início de uma nova era na astronomia. Para explorar totalmente essa nova maneira de observar o universo, no entanto, os próximos detectores precisarão ver eventos mais distantes e medi-los com maior clareza.

“Isso significa ultrapassar os limites tanto da potência do laser quanto da precisão em nível quântico,” disse Richardson. “O problema é que aumentar a potência do laser tende a destruir os delicados estados quânticos dos quais dependemos para melhorar a clareza do sinal. Nossa nova tecnologia resolve essa tensão garantindo que a óptica permaneça não distorcida, mesmo em níveis de potência de megawatt.”

Com essa abordagem, a nova tecnologia deve expandir o universo observável de ondas gravitacionais em um fator de 10. Esse aumento de alcance poderia permitir que os astrônomos detectassem milhões de fusões de buracos negros e estrelas de nêutrons ao longo da história cósmica e os estudassem com um detalhe sem precedentes.

Perspectivas Futuras: LIGO A# e Cosmic Explorer

O FROSTI deve ser um componente chave do LIGO A#, uma atualização planejada que atuará como um banco de testes para o observatório de próxima geração conhecido como Cosmic Explorer. O protótipo atual foi demonstrado em um espelho do LIGO de 40 kg, mas os mesmos princípios podem ser ampliados e adaptados para os espelhos muito maiores de 440 kg propostos para o Cosmic Explorer.

“O protótipo atual é apenas o começo,” disse Richardson. “Já estamos projetando novas versões capazes de corrigir distorções ópticas ainda mais complexas. Esta é a base de P&D para os próximos 20 anos de astronomia de ondas gravitacionais.”

Richardson conduziu a pesquisa em colaboração com cientistas da UCR, MIT e Caltech.

O trabalho foi apoiado por uma concessão a Richardson da Fundação Nacional de Ciência.