Ondas gravitacionais são ondulações no próprio tecido do espaço-tempo.Crédito: Shutterstock
COLUMBUS, Ohio - Um detector de ondas gravitacionais com 2,5 quilômetros de comprimento não é legal. Você sabe o que é legal? Um detector de ondas gravitacionais de 25 milhas de comprimento.
Esse é o resultado de uma série de palestras feitas aqui no sábado (14 de abril) na reunião de abril da American Physical Society. A próxima geração de detectores de ondas gravitacionais irá espiar até a borda externa do universo observável, procurando ondulações no próprio tecido do espaço-tempo, que Einstein previu que ocorreria quando objetos maciços como buracos negros colidissem. Mas ainda existem alguns desafios significativos no caminho de sua construção, disseram os apresentadores ao público.
"Os detectores atuais que você acha que são muito sensíveis", disse Matthew Evans, físico do MIT, à plateia. "E isso é verdade, mas eles também são os detectores menos sensíveis com os quais você pode [possivelmente] detectar ondas gravitacionais".
Detectores atuais, é claro, não são nada para desprezar. Quando o Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferômetro a Laser (LIGO) de 2,5 milhas de comprimento (4 quilômetros) detectou pela primeira vez o espaço-tempo crescendo e encolhendo em 2015 - o eco gravitacional de uma colisão de 1,3 bilhão de anos entre dois buracos negros - provou a existência das vastas e invisíveis ondas gravitacionais que outrora foram inteiramente teóricas, e levou, em apenas dois anos, um Prêmio Nobel para os criadores do LIGO .
Mas o LIGO e seu primo, o instrumento italiano de 3 km de extensão Virgo, são fundamentalmente limitados, disseram os palestrantes. Ambos os detectores são realmente capazes de detectar ondas gravitacionais de objetos que estão relativamente próximos da Terra na escala de todo o universo, disse o físico do MIT Salvatore Vitale. Eles também são limitados nos tipos de objetos que podem detectar.
Até agora, realmente houve apenas dois resultados importantes da atual geração de interferômetros: a detecção de uma fusão de buracos negros em 2015 e a deteção de duas estrelas de nêutrons em agosto de 2017(também um tema quente na conferência). Houve mais algumas colisões de buracos negros detectados, mas eles não ofereceram muitos resultados impressionantes após a primeira detecção.
Construa LIGOs e Virgos em maior escala, ou um tipo diferente de detector em grande escala chamado " telescópio Einstein ", disse Evans, e a taxa de detecção de ondas poderia saltar de um a cada poucos meses para mais de 1 milhão a cada ano .
O triangular Einstein Telescope, um detector de ondas gravitacionais em larga escala, está a mais de uma década de distância.Crédito: CERN
Quando digo que esses detectores nos levam para o limite do universo, quero dizer que eles podem detectar quase todos os sistemas binários que se fundem", disse ele, referindo-se a pares de estrelas, buracos negros e estrelas de nêutrons que estão colidindo.
Isso significa a possibilidade de detectar buracos negros desde os primeiros anos do universo, sondando profundos mistérios da gravidade e até mesmo detectando, potencialmente, pela primeira vez, as ondas gravitacionais de uma estrela supernova e colapsando em uma estrela de nêutrons ou buraco negro.
Maior é melhor
Então, por que detectores maiores levam a buscas mais sensíveis por ondas gravitacionais? Para entender isso, você precisa entender como esses detectores funcionam.
O LIGO e o Virgo são, como relatado anteriormente pela Live Science, basicamente réguas em forma de L gigantes. Dois túneis se ramificam em ângulos retos um do outro, usando lasers para fazer medições extremamente precisas de momento a momento dos comprimentos dos túneis. Quando uma onda gravitacional passa pelo detector, balançando o próprio espaço, esse comprimento muda um pouquinho. O que uma vez foi uma milha se torna, brevemente, pouco menos de uma milha. E o laser, percorrendo essa distância mais curta um pouco mais rápido, demonstra que a mudança aconteceu.
Mas há um limite para o quão bem essa medida pode ser. A maioria das ondas ondula levemente o laser para os interferômetros perceberem. Melhorar a tecnologia de detecção nos túneis existentes de LIGO e Virgo pode melhorar um pouco as coisas, disse Evans, e há planos para isso. Mas para realmente amplificar o sinal, ele disse, a única opção é ir muito maior.
Um detector em forma de L com braços de 24,86 km de comprimento, 10 vezes o tamanho do LIGO, é o próximo passo, disse Evans. Ele chamou a proposta de "explorador cósmico". Seria grande o suficiente para detectar praticamente qualquer coisa que um detector de ondas gravitacionais pudesse detectar, disse ele, mas não tão grande que a física subjacente começasse a desmoronar ou os custos se tornassem involuntariamente altos, mesmo para esse tipo de ciência dispendiosa projeto. (O custo final do LIGO chegou a centenas de milhões de dólares.)
Então, por que um detector desse tamanho, em vez de duas ou dez vezes maior?
A certa altura, com cerca de 40 quilômetros de comprimento, disse Evans, a luz leva tanto tempo para se mover de uma ponta a outra do túnel até que o experimento possa ficar confuso, tornando os resultados menos precisos do que mais.
Pelo menos como desafiador são os custos. LIGO e Virgo são pequenos o suficiente para que a curvatura da Terra não seja um desafio significativo de construção, disse Evans. Mas, a 24,86 milhas (40 km) por braço, colocar as extremidades de cada túnel no nível do solo significa que os centros dos túneis têm que estar a 30 metros no subsolo (supondo que o solo esteja perfeitamente nivelado).
"Mais de 40 quilômetros", disse Evans, "a distância de terra [do longo túnel] começa a tomar conta dos custos".
Há também o problema básico de encontrar um espaço vazio e grande o suficiente para construir um detector tão grande. Evans disse que basicamente não há lugar nenhum na Europa grande o suficiente, e nos EUA as opções são limitadas à região do Grande Lago Salgado em Utah e ao deserto de Black Rock em Nevada.
Esses desafios espaciais impulsionam o design alternativo do detector de ondas gravitacionais, chamado telescópio Einstein. Enquanto uma forma de L é a melhor maneira de medir uma onda gravitacional, Evans disse, um triângulo com três túneis e múltiplos detectores pode fazer um trabalho quase tão bom enquanto ocupa um espaço muito menor, ideal para as limitações geográficas da Europa.
Esses detectores ainda estão a 15 ou 20 anos da conclusão, Vitale disse, e toda a tecnologia necessária para construí-los ainda não foi inventada. Ainda assim, ele e Evans disseram aos cientistas reunidos que "a hora é agora" para começar a trabalhar neles. Já, Vitale disse, há oito grupos de trabalho preparando um relatório sobre a justificativa científica para esses dispositivos massivos, que devem sair em dezembro de 2018.
Um membro da platéia perguntou a Evans se fazia sentido construir, digamos, um detector de oito quilômetros de extensão (8 km) enquanto um verdadeiro Cosmic Explorer ou um Telescópio Einstein em escala real permanecessem a mais de uma década de distância.
Se ele estivesse em um comitê de financiamento, ele não aprovaria tal projeto, porque os retornos científicos da duplicação do tamanho do LIGO simplesmente não são tão grandes, disse Evans. É apenas nos limites superiores do tamanho do túnel, que os custos de tal projeto seriam justificados, acrescentou ele.
"A menos que eu soubesse que por algum motivo [um detector de 8 km seria o maior de todos os tempos possíveis de construir], simplesmente não vale a pena", disse ele.
Ainda assim, Vitale disse que isso não significa que os cientistas têm que esperar de 15 a 20 anos pela próxima grande fase dos resultados das ondas gravitacionais. À medida que mais detectores na escala atual entram em operação, incluindo o Detector de Ondas Gravitacionais Kamioka do tamanho de Virgo (KAGRA) no Japão e a LIGO-Índia do tamanho LIGO, e conforme os detectores existentes melhoram, os pesquisadores terão a oportunidade de medir ondas gravitacionais individuais de mais ângulos de uma vez, permitindo mais detecções e conclusões mais detalhadas sobre de onde elas vêm.
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