Um detector de ondas gravitacionais de mesa baseado em um pedaço de quartzo registrou dois sinais misteriosos em seus primeiros 153 dias de operação.
Não está claro exatamente quais são esses sinais; eles podem ser de vários fenômenos. Mas um desses fenômenos é exatamente o que o detector foi projetado para captar – ondas gravitacionais de alta frequência, que nunca foram registradas antes.
É muito cedo para chegar a qualquer conclusão, mas a próxima iteração do detector será capaz de restringir o que fez o quartzo ressoar.
“É emocionante que este evento tenha mostrado que o novo detector é sensível e está nos dando resultados, mas agora temos que determinar exatamente o que esses resultados significam”, disse o físico Michael Tobar, da Universidade da Austrália Ocidental.
“Com este trabalho, demonstramos pela primeira vez que esses dispositivos podem ser usados como detectores de ondas gravitacionais de alta sensibilidade.”
A primeira detecção de onda gravitacional inovadora foi feita há apenas seis anos. Desde então, os detectores LIGO e Virgem revelaram que o Universo está vibrando com ondas gravitacionais anteriormente ocultas, surgindo a partir de colisões entre buracos negros e estrelas de nêutrons.
Esses detectores são enormes, com braços de 4 quilômetros (2,5 milhas) de comprimento. Lasers ao longo desses braços são minuciosamente interrompidos por ondas gravitacionais, produzindo padrões de interferência na luz recombinada que podem ser analisados para revelar a natureza do evento que causou as ondas. Até agora, a tecnologia foi otimizada para o regime de baixa frequência.
As ondas gravitacionais de alta frequência são muito mais difíceis de detectar, mas definitivamente vale a pena persegui-las. O comprimento de onda das ondas gravitacionais é proporcional ao tamanho do Universo; as que ocorrem mais tarde são maiores, portanto, ondas mais curtas de alta frequência podem revelar informações sobre o Big Bang e o Universo no início dos tempos.
Fontes de ondas gravitacionais de alta frequência no passado mais recente poderiam incluir objetos hipotéticos, como estrelas bósons e buracos negros primordiais. Essas ondas podem até ser produzidas por nuvens de matéria escura. Portanto, os astrônomos estariam profundamente interessados em detectar esses sinais.
Tobar e seu colega físico Maxim Goryachev, da University of Western Australia, projetaram um detector de mesa para ondas gravitacionais de alta frequência em 2014. Agora, junto com uma equipe internacional, eles realizaram corridas de observação.
O detector em si é um disco de cristal de quartzo, chamado ressonador de onda acústica em massa (BAW), com um lado ligeiramente convexo. Teoricamente, as ondas gravitacionais de alta frequência deveriam gerar ondas sonoras estacionárias no disco, que são capturadas como fônons pelo lado convexo.
O disco é resfriado criogenicamente para reduzir o ruído térmico, e as placas condutoras colocadas a distâncias muito pequenas do cristal captam sinais piezoelétricos minúsculos gerados pelos modos acústicos que vibram nele. Este sinal é absolutamente minúsculo, então um dispositivo supercondutor de interferência quântica, ou SQUID, é empregado para atuar como um amplificador de sinal extremamente sensível.
Todo o detector é colocado em uma câmara de vácuo protegida contra radiação para evitar o máximo de interferência possível. Com essa configuração, a equipe realizou duas corridas de observação e fez uma detecção durante cada corrida – a primeira em 12 de maio de 2019 e a segunda em 27 de novembro de 2019.
Agora, existem várias possibilidades plausíveis aqui. O relaxamento da tensão mecânica dentro do disco de quartzo é um; um evento radioativo interno causado por radiação ionizante externa é outro, embora os pesquisadores não saibam de nenhum evento externo que poderia ter causado isso.
Da mesma forma, embora uma chuva de meteoros possa produzir ondas acústicas, a blindagem deveria ter protegido o dispositivo contra elas. O culpado pode até ter sido os raios cósmicos.
As outras opções são mais excitantes – distúrbios causados por defeitos topológicos na matéria escura, ou partículas massivas de matéria escura, poderiam teoricamente ter causado os sinais.
Ou, finalmente, existe a possibilidade de ondas gravitacionais de alta frequência. Isso exigiria muito mais investigação, uma vez que a forma do sinal não exibe a característica de ‘chirp’ de uma fusão cósmica.
Para a próxima iteração do detector, os pesquisadores estarão adicionando um segundo cristal, com seu próprio SQUID e leitura, junto com um detector de múon para descartar os raios cósmicos. Isso deve ajudar a restringir o que causou os sinais que a equipe detectou.
“Este experimento é um dos dois únicos atualmente ativos no mundo em busca de ondas gravitacionais de alta frequência nessas frequências, e temos planos de estender nosso alcance para frequências ainda mais altas, onde nenhum outro experimento olhou antes”, disse Tobar.
“O desenvolvimento desta tecnologia pode fornecer potencialmente a primeira detecção de ondas gravitacionais nessas altas frequências, dando-nos uma nova visão nesta área da astronomia de ondas gravitacionais.
“A próxima geração do experimento envolverá a construção de um clone do detector e um detector de múon sensível a partículas cósmicas. Se dois detectores encontrarem a presença de ondas gravitacionais, isso será realmente emocionante.”
Publicado em 23/09/2021 09h40
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