Detector de ondas gravitacionais europeu vacila

Virgem estende seus braços de 3 quilômetros pela planície da Toscana, perto de Pisa, na Itália.

Colaboração Virgem / N. Baldocchi

Detector de ondas gravitacionais europeu vacila

Por Daniel CleryFeb. 16, 2017, 14:00

Em 20 de fevereiro, os dignitários descerão ao Virgo, o principal detector de ondas gravitacionais da Europa, perto de Pisa, na Itália, para uma cerimônia de dedicação para comemorar uma atualização de 5 anos e 24 milhões de libras. Mas a pompa desmentirá problemas que provavelmente impedirão Virgem de se juntar ao seu homólogo americano, o Observatório de Ondas Gravitacionais com Interferômetro a Laser (LIGO), em busca de fontes de ondas gravitacionais que deveriam começar no próximo mês. O que atrapalhou o observatório de três quilômetros de extensão: fios de vidro com apenas 0, 4 milímetros de espessura, que se revelaram inesperadamente frágeis. O atraso, que pode durar um ano, é muito frustrante para todos '', diz Bruce Allen, membro da equipe do LIGO, diretor do Instituto Max Planck de Física Gravitacional em Hannover, Alemanha.

Há um ano, o LIGO confirmou uma previsão feita por Albert Einstein um século antes: que eventos cósmicos violentos, como a fusão de dois buracos negros, iriam arrancar o tecido do espaço-tempo e emitir ondas. Mas o LIGO, com dois instrumentos em Livingston, Louisiana, e Hanford, Washington, não pode identificar as fontes das ondas, o que permitiria aos astrônomos treinar outros telescópios nelas. Triangular nas fontes requer um terceiro detector: Virgem.

Todos os detectores contam com dispositivos ópticos chamados interferômetros: dois braços retos, com vários quilômetros de comprimento, posicionados em ângulo reto. Dentro de cada braço, um raio laser salta para frente e para trás entre espelhos em cada extremidade de um tubo de vácuo, ressoando como um som em um tubo de órgão. A luz do laser é combinada onde os dois braços se encontram, de modo que o pico de uma onda de laser encontre a cavidade da outra e eles se cancelem. Mas se algo, como uma onda gravitacional, estender o espaço e alterar o comprimento dos dois braços em quantidades diferentes, as ondas não serão mais correspondentes e o cancelamento será incompleto. Alguma luz passa através de uma saída conhecida como porta escura e entra em um detector.

As menores vibrações, tremores na terra, o barulho de trens e até o surf em praias distantes podem inundar o sinal de ondas gravitacionais. Portanto, os engenheiros devem isolar meticulosamente os detectores do ruído. Em Virgem, por exemplo, os espelhos estão suspensos no final de uma cadeia de sete pêndulos. Para a atualização, os fios de aço que conectam o espelho ao peso acima dele foram substituídos por fibras de vidro puras para reduzir o ruído térmico e mecânico.

Mas há um ano, os fios de vidro começaram a se quebrar, às vezes dias ou semanas depois que os espelhos de 40 kg foram suspensos deles. Após meses de investigação, a equipe encontrou o culpado: partículas microscópicas de detritos das bombas do sistema de vácuo atualizado. Quando essas partículas se assentaram nas fibras de vidro, criaram microfissuras, que se alargaram por dias e semanas até que as fibras falharam. `` As fibras são muito robustas até que algo toque sua superfície '', diz Giovanni Losurdo, líder de projeto de Virgem Avançada do Instituto Nacional de Física Nuclear da Itália, em Pisa.

As fibras de vidro usadas para suspender os espelhos de 40 kg quebraram.

Colaboração em Virgem

Durante a investigação, a equipe substituiu temporariamente as fibras de vidro por fios de aço - como no Virgo original - e seguiu em frente. Mas outros problemas agravaram os atrasos. Um exame de pequenos triângulos de aço que atuam como molas amortecedoras de vibrações revelou que 13 das 350 estavam rachadas ou quebradas. Por que permanece um mistério, mas a equipe substituiu aqueles que mostravam algum sinal de dano - 40% do total. Dada a complexidade do detector, "não é de surpreender que algumas coisas não funcionem como o esperado", diz Benoit Mours, membro da equipe de Virgem, do Instituto Nacional de Física Nuclear e de Partículas da França, em Annecy.

A equipe de Virgem agora conseguiu "travar" nos dois braços do detector, o que significa que a luz está ressoando de maneira estável. Em breve, eles esperam trazer a ótica central e combinar as vigas. Em seguida, eles devem caçar e eliminar as fontes de ruído restantes para ver qual nível de sensibilidade podem alcançar com os fios de aço ainda no lugar.

Para Virgem dar uma contribuição útil, ele precisa ser pelo menos um quarto tão sensível quanto o LIGO. Os pesquisadores definem sensibilidade como a distância à qual um detector pode detectar a fusão de duas estrelas de nêutrons com massas 1, 4 vezes maiores que a do sol. Atualmente, o detector Livingston da LIGO pode detectar um evento desse tipo em cerca de 80 megaparsegs (260 milhões de anos-luz). Em teoria, com todas as atualizações, mas os espelhos ainda suspensos com fios de aço, o Virgo deve ser capaz de atingir 50 megarsegundos, diz Losurdo. "Assim que o Advanced Virgo atingir a sensibilidade de participar, começaremos."

Frustrantemente para a equipe de Virgem, espera-se que os fios de aço tenham o maior impacto na sensibilidade às ondas gravitacionais com frequências mais baixas do que as fusões de estrelas de nêutrons, como as de fusões de buracos negros. E as fusões de buracos negros são precisamente os eventos que o LIGO detectou no ano passado.

A tarefa de eliminar as fontes de ruído certamente levará vários meses, diz Lisa Barsotti, do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, em Cambridge, co-presidente do Comitê de Planejamento de Execução Conjunta LIGO-Virgo. Isso torna impossível a adesão ao LIGO, conforme planejado em março. A atual execução do LIGO, que começou em 30 de novembro de 2016, deveria continuar por cerca de 6 meses, até o final de maio de 2017, mas mesmo isso pode ser um trecho para Virgem. Barsotti diz que o LIGO pode estender sua execução por um mês ou dois, "para dar a Virgo a chance de participar".

Se o Virgo conseguir participar da corrida atual, a equipe poderá reinstalar as fibras de vidro e eliminar outras fontes de ruído até a primavera de 2018, quando o LIGO iniciará uma nova corrida de observação. Logo depois, um quarto detector está pronto para se juntar à caçada: o Kamioka Gravitational Wave Detector, ou KAGRA, perto da cidade de Hida, no Japão, que planeja iniciar as operações em 2019. Os braços da KAGRA estarão no subsolo, abaixo de 200 metros de rocha, e seus espelhos resfriados a 20 K - dois truques que devem reduzir o ruído e aumentar a sensibilidade.