Em 2015, o Observatório de Ondas Gravitacionais com Interferômetro Laser (LIGO) fez história ao fazer a primeira detecção direta de ondas gravitacionais – ondulações no espaço e no tempo – produzidas por um par de buracos negros em colisão.

Desde então, o LIGO e o seu detector irmão na Europa, o Virgo, detectaram ondas gravitacionais provenientes de dezenas de fusões entre buracos negros, bem como de colisões entre uma classe relacionada de remanescentes estelares chamadas estrelas de neutrões. No centro do sucesso do LIGO está a sua capacidade de medir o alongamento e a compressão da estrutura do espaço-tempo em escalas 10 mil trilhões de vezes menores que um fio de cabelo humano.

Por mais incompreensivelmente pequenas que sejam essas medições, a precisão do LIGO continuou a ser limitada pelas leis da física quântica. Em escalas subatômicas muito pequenas, o espaço vazio é preenchido com um leve estalo de ruído quântico, que interfere nas medições do LIGO e restringe a sensibilidade do observatório.

Agora, escrevendo em um artigo aceito para publicação na Physical Review X , os pesquisadores do LIGO relatam um avanço significativo em uma tecnologia quântica chamada “compressão”, que lhes permite contornar esse limite e medir ondulações no espaço-tempo em toda a faixa de frequências gravitacionais. detectado pelo LIGO.

Esta nova tecnologia de “compressão dependente da frequência”, em operação no LIGO desde que retomou a operação em maio de 2023, significa que os detectores podem agora sondar um volume maior do universo e deverão detectar cerca de 60% mais fusões do que antes. Isto aumenta enormemente a capacidade do LIGO de estudar os eventos exóticos que agitam o espaço e o tempo.

“Não podemos controlar a natureza, mas podemos controlar os nossos detectores”, diz Lisa Barsotti, cientista pesquisadora sênior do MIT que supervisionou o desenvolvimento da nova tecnologia LIGO, um projeto que originalmente envolveu experimentos de pesquisa no MIT liderados por Matt Evans, professor de física, e Nergis Mavalvala, professor de astrofísica Curtis e Kathleen Marble e reitor da Escola de Ciências. O esforço agora inclui dezenas de cientistas e engenheiros baseados no MIT, Caltech e nos observatórios gêmeos LIGO em Hanford, Washington, e Livingston, Louisiana.

"Um projeto desta escala requer várias pessoas, desde instalações até engenharia e óptica - basicamente toda a extensão do Laboratório LIGO com contribuições importantes da Colaboração Científica LIGO. Foi um grande esforço que se tornou ainda mais desafiador pela pandemia", diz Barsotti. .

“Agora que ultrapassamos este limite quântico , podemos fazer muito mais astronomia”, explica Lee McCuller, professor assistente de física na Caltech e um dos líderes do novo estudo. “O LIGO utiliza lasers e grandes espelhos para fazer as suas observações, mas estamos a trabalhar num nível de sensibilidade que significa que o dispositivo é afetado pelo reino quântico.”

Os resultados também têm ramificações para futuras tecnologias quânticas, como computadores quânticos e outras microeletrônicas, bem como para experimentos de física fundamental. “Podemos pegar o que aprendemos com o LIGO e aplicá-lo a problemas que exigem a medição de distâncias em escala subatômica com incrível precisão”, diz McCuller.

“Quando a NSF investiu pela primeira vez na construção dos detectores gêmeos LIGO no final da década de 1990, estávamos entusiasmados com o potencial de observação de ondas gravitacionais”, disse o diretor da NSF, Sethuraman Panchanathan. "Esses detectores não apenas possibilitaram descobertas inovadoras, mas também desencadearam o design e o desenvolvimento de novas tecnologias. Isto é verdadeiramente exemplar do DNA da NSF - explorações orientadas pela curiosidade, juntamente com inovações inspiradas no uso. Através de décadas de investimentos e expansão contínuos de parcerias internacionais, o LIGO está ainda mais preparado para promover descobertas ricas e progresso tecnológico."

As leis da física quântica determinam que as partículas, incluindo os fótons, entrarão e sairão aleatoriamente do espaço vazio, criando um ruído quântico de fundo que traz um nível de incerteza às medições baseadas em laser do LIGO. A compressão quântica, que tem raízes no final da década de 1970, é um método para silenciar o ruído quântico, ou mais especificamente, para empurrar o ruído de um lugar para outro com o objetivo de fazer medições mais precisas.

O termo compressão refere-se ao fato de que a luz pode ser manipulada como um balão animal. Para fazer um cachorro ou uma girafa, pode-se prender uma seção de um balão longo em uma pequena junta localizada com precisão. Mas então o outro lado do balão aumentará para um tamanho maior e menos preciso. Da mesma forma, a luz pode ser comprimida para ser mais precisa em uma característica, como sua frequência, mas o resultado é que ela se torna mais incerta em outra característica, como seu poder. Esta limitação baseia-se numa lei fundamental da mecânica quântica chamada princípio da incerteza, que afirma que não é possível conhecer a posição e o momento dos objetos (ou a frequência e a potência da luz) ao mesmo tempo.

Desde 2019, os detectores gêmeos do LIGO comprimem a luz de forma a melhorar sua sensibilidade à faixa de frequência superior das ondas gravitacionais que detectam. Mas, da mesma forma que apertar um lado de um balão resulta na expansão do outro lado, apertar a luz tem um preço. Ao tornar as medições do LIGO mais precisas nas frequências altas, as medições tornaram-se menos precisas nas frequências mais baixas.

“Em algum momento, se você apertar mais, não vai ganhar muito. Precisávamos nos preparar para o que viria a seguir em nossa capacidade de detectar ondas gravitacionais”, explica Barsotti.

Agora, as novas cavidades ópticas dependentes da frequência do LIGO – tubos longos com o comprimento de três campos de futebol – permitem à equipa comprimir a luz de diferentes maneiras, dependendo da frequência das ondas gravitacionais de interesse, reduzindo assim o ruído em toda a gama de frequências do LIGO.

“Antes, tínhamos que escolher onde queríamos que o LIGO fosse mais preciso”, diz Rana Adhikari, membro da equipe do LIGO e professora de física na Caltech. "Agora podemos comer nosso bolo e comê-lo também. Já faz algum tempo que sabemos como escrever as equações para fazer isso funcionar, mas não estava claro se poderíamos realmente fazê-lo funcionar até agora. É como ficção científica. "

Cada instalação do LIGO é composta por dois braços de 4 quilômetros de comprimento conectados em forma de “L”. Os raios laser percorrem cada braço, atingem espelhos suspensos gigantes e depois voltam para onde começaram. À medida que as ondas gravitacionais passam pela Terra, elas fazem com que os braços do LIGO se estiquem e se contraiam, dessincronizando os raios laser . Isso faz com que a luz dos dois feixes interfira entre si de maneira específica, revelando a presença de ondas gravitacionais.

No entanto, o ruído quântico que se esconde dentro dos tubos de vácuo que envolvem os feixes de laser do LIGO pode alterar o tempo dos fótons nos feixes em quantidades minuciosamente pequenas. McCuller compara esta incerteza na luz laser a uma lata de BBs.

"Imagine despejar uma lata cheia de BBs. Todos eles atingem o chão e clicam e estalam de forma independente. Os BBs atingem o chão aleatoriamente e isso cria um ruído. Os fótons de luz são como os BBs e atingem os espelhos do LIGO em momentos irregulares, ", disse ele em entrevista ao Caltech.

As tecnologias de compressão em vigor desde 2019 fazem com que “os fótons cheguem com mais regularidade, como se estivessem de mãos dadas em vez de viajarem de forma independente”, disse McCuller. A ideia é tornar a frequência, ou tempo, da luz mais certa e a amplitude, ou potência, menos certa, como forma de reprimir os efeitos do tipo BB dos fótons.

Isto é conseguido com a ajuda de cristais especializados que essencialmente transformam um fóton em um par de dois fótons emaranhados (conectados) com energia mais baixa. Os cristais não comprimem diretamente a luz nos feixes de laser do LIGO; em vez disso, eles comprimem a luz dispersa no vácuo dos tubos LIGO, e essa luz interage com os feixes de laser para comprimir indiretamente a luz do laser.

“A natureza quântica da luz cria o problema, mas a física quântica também nos dá a solução”, diz Barsotti.

O conceito de compressão remonta ao final da década de 1970, começando com estudos teóricos do falecido físico russo Vladimir Braginsky; Kip Thorne, Professor Richard P. Feynman de Física Teórica, Emérito da Caltech; e Carlton Caves, professor emérito da Universidade do Novo México.

Os pesquisadores estavam pensando sobre os limites das medições e comunicações baseadas em quânticas, e este trabalho inspirou uma das primeiras demonstrações experimentais de compressão em 1986 por H. Jeff Kimble, professor de física William L. Valentine, emérito da Caltech. Kimble comparou a luz espremida a um pepino; a certeza das medições de luz são empurradas em apenas uma direção, ou característica, transformando “repolhos quânticos em pepinos quânticos”, escreveu ele em um artigo na revista Engineering & Science da Caltech em 1993.

Em 2002, os investigadores começaram a pensar em como comprimir a luz nos detectores LIGO e, em 2008, a primeira demonstração experimental da técnica foi realizada nas instalações de testes de 40 metros do Caltech. Em 2010, pesquisadores do MIT desenvolveram um projeto preliminar para um espremedor LIGO, que testaram nas instalações do LIGO em Hanford. Um trabalho paralelo realizado no detector GEO600 na Alemanha também convenceu os pesquisadores de que a compressão funcionaria. Nove anos depois, em 2019, após muitas tentativas e um cuidadoso trabalho em equipe, o LIGO começou a extrair luz pela primeira vez.

“Passamos por muitas soluções de problemas”, diz Sheila Dwyer, que trabalha no projeto desde 2008, primeiro como estudante de pós-graduação no MIT e depois como cientista no Observatório LIGO Hanford a partir de 2013. “A primeira ideia foi espremer no final da década de 1970, mas levou décadas para acertar."

No entanto, como observado anteriormente, há uma compensação que surge com a compressão. Ao mover o ruído quântico para fora do tempo, ou frequência, da luz laser, os pesquisadores colocaram o ruído na amplitude (potência) da luz laser. Os feixes de laser mais poderosos empurram os espelhos pesados ??do LIGO, causando um ruído indesejado correspondente a frequências mais baixas de ondas gravitacionais. Esses ruídos mascaram a capacidade dos detectores de detectar ondas gravitacionais de baixa frequência.

“Mesmo que estejamos usando a compressão para colocar ordem em nosso sistema, reduzindo o caos, isso não significa que estamos ganhando em todos os lugares”, diz Dhruva Ganapathy, estudante de pós-graduação do MIT e um dos quatro coautores do novo estudo. . "Ainda estamos sujeitos às leis da física." Os outros três autores principais do estudo são o estudante de graduação do MIT Wenxuan Jia, o pós-doutorado do LIGO Livingston Masayuki Nakano e o pós-doutorado do MIT Victoria Xu.

Infelizmente, esse barulho incômodo se torna ainda mais problemático quando a equipe do LIGO aumenta a potência de seus lasers. “Tanto a compressão quanto o ato de aumentar a potência melhoram a precisão da nossa detecção quântica a ponto de sermos impactados pela incerteza quântica”, diz McCuller. "Ambos causam mais impulso de fótons, o que leva ao estrondo dos espelhos. A potência do laser simplesmente adiciona mais fótons, enquanto a compressão os torna mais desajeitados e, portanto, barulhentos."

A solução é comprimir a luz de uma forma para altas frequências de ondas gravitacionais e de outra para baixas frequências. É como ir e voltar apertando um balão por cima, por baixo e pelos lados.

Isto é conseguido pela nova cavidade de compressão dependente de frequência do LIGO, que controla as fases relativas das ondas de luz de tal forma que os pesquisadores podem mover seletivamente o ruído quântico para diferentes características da luz (fase ou amplitude), dependendo da faixa de frequência de ondas gravitacionais .

“É verdade que estamos fazendo algo quântico muito legal, mas a verdadeira razão para isso é que é a maneira mais simples de melhorar a sensibilidade do LIGO”, diz Ganapathy. “Caso contrário, teríamos que aumentar o laser, que tem seus próprios problemas, ou teríamos que aumentar muito o tamanho dos espelhos, o que seria caro”.

O observatório parceiro do LIGO, Virgo, provavelmente também usará tecnologia de compressão dependente de frequência na execução atual, que continuará até aproximadamente o final de 2024. Detectores de ondas gravitacionais maiores da próxima geração, como o planejado Cosmic Explorer baseado em terra, irão também colha os benefícios da luz espremida.

Com a sua nova cavidade de compressão dependente da frequência, o LIGO pode agora detectar ainda mais colisões de buracos negros e estrelas de neutrões. Ganapathy diz que está muito animado em capturar mais colisões de estrelas de nêutrons. “Com mais detecções, podemos observar as estrelas de nêutrons se despedaçando e aprender mais sobre o que há dentro delas”.

“Estamos finalmente tirando vantagem do nosso universo gravitacional”, diz Barsotti. "No futuro, podemos melhorar ainda mais a nossa sensibilidade. Gostaria de ver até onde podemos ir."

O estudo é intitulado "Aprimoramento quântico de banda larga dos detectores LIGO com compressão dependente de frequência". Muitos pesquisadores adicionais contribuíram para o desenvolvimento do trabalho de compressão e compressão dependente de frequência, incluindo Mike Zucker do MIT e GariLynn Billingsley da Caltech, os líderes das atualizações "Advanced LIGO Plus" que incluem a cavidade de compressão dependente de frequência; Daniel Sigg do Observatório LIGO Hanford; Adam Mullavey do Laboratório LIGO Livingston; e o grupo de David McClelland da Australian National University.