Em 2017, astrônomos testemunharam o nascimento de um buraco negro pela primeira vez. Os detectores de ondas gravitacionais detectaram as ondulações no espaço-tempo causadas pela colisão de duas estrelas de nêutrons para formar o buraco negro, e outros telescópios então observaram a explosão resultante.
Mas a verdadeira essência de como o buraco negro se formou, os movimentos da matéria nos instantes antes de ser selado dentro do horizonte de eventos do buraco negro, passaram despercebidos. Isso porque as ondas gravitacionais lançadas nesses momentos finais tinham uma frequência tão alta que nossos detectores atuais não conseguem captá-las.
Se você pudesse observar a matéria comum enquanto ela se transforma em um buraco negro, veria algo semelhante ao Big Bang reproduzido ao contrário. Os cientistas que projetam detectores de ondas gravitacionais têm trabalhado arduamente para descobrir como melhorar nossos detectores e torná-los possíveis.
Hoje nossa equipe está publicando um artigo que mostra como isso pode ser feito. Nossa proposta poderia tornar os detectores 40 vezes mais sensíveis às altas frequências de que precisamos, permitindo aos astrônomos ouvir a matéria enquanto ela forma um buraco negro.
Envolve a criação de novos pacotes estranhos de energia (ou “quanta”) que são uma mistura de dois tipos de vibrações quânticas. Dispositivos baseados nesta tecnologia podem ser adicionados aos detectores de ondas gravitacionais existentes para obter a sensibilidade extra necessária.
Problemas quânticos
Detectores de ondas gravitacionais, como o Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) nos Estados Unidos, usam lasers para medir mudanças incrivelmente pequenas na distância entre dois espelhos. Como medem mudanças 1.000 vezes menores que o tamanho de um único próton, os efeitos da mecânica quântica – a física de partículas individuais ou quanta de energia – desempenham um papel importante na maneira como esses detectores funcionam.
Dois tipos diferentes de pacotes quânticos de energia estão envolvidos, ambos previstos por Albert Einstein. Em 1905, ele previu que a luz chega em pacotes de energia que chamamos de fótons; dois anos depois, ele previu que a energia do calor e do som vêm em pacotes de energia chamados fônons.
Os fótons são amplamente usados na tecnologia moderna, mas os fônons são muito mais difíceis de controlar. Fônons individuais são geralmente inundados por um grande número de fônons aleatórios que são o calor de seus arredores. Em detectores de ondas gravitacionais, os fônons saltam dentro dos espelhos do detector, degradando sua sensibilidade.
Cinco anos atrás, os físicos perceberam que era possível resolver o problema da sensibilidade insuficiente em alta frequência com dispositivos que combinam fônons com fótons. Eles mostraram que dispositivos nos quais a energia é transportada em pacotes quânticos que compartilham as propriedades de fônons e fótons podem ter propriedades bastante notáveis.
Esses dispositivos envolveriam uma mudança radical para um conceito familiar denominado “amplificação ressonante”. A amplificação ressonante é o que você faz quando empurra um balanço do playground: se você empurra no momento certo, todos os seus pequenos movimentos criam um grande balanço.
O novo dispositivo, chamado de “cavidade de luz branca”, amplificaria todas as frequências igualmente. É como um swing que você poderia empurrar a qualquer momento e ainda assim obter grandes resultados.
No entanto, ninguém ainda descobriu como fazer um desses dispositivos, porque os fônons dentro dele seriam subjugados por vibrações aleatórias causadas pelo calor.
Soluções quânticas
Em nosso artigo, publicado na Communications Physics, mostramos como dois projetos diferentes em andamento poderiam fazer o trabalho.
O Instituto Niels Bohr em Copenhagen vem desenvolvendo dispositivos chamados cristais fonônicos, nos quais as vibrações térmicas são controladas por uma estrutura semelhante a um cristal cortado em uma membrana fina. O Centro Australiano de Excelência para Sistemas Quânticos Projetados também demonstrou um sistema alternativo no qual fônons são presos dentro de lentes de quartzo ultrapuras.
Mostramos que ambos os sistemas satisfazem os requisitos para criar a “dispersão negativa” – que espalha as frequências de luz em um padrão de arco-íris reverso – necessária para cavidades de luz branca.
Ambos os sistemas, quando adicionados à extremidade posterior dos detectores de ondas gravitacionais existentes, melhorariam a sensibilidade em frequências de alguns quilohertz em 40 vezes ou mais para ouvir o nascimento de um buraco negro.
Qual é o próximo?
Nossa pesquisa não representa uma solução instantânea para melhorar os detectores de ondas gravitacionais. Existem enormes desafios experimentais em transformar esses dispositivos em ferramentas práticas. Mas oferece um caminho para a melhoria de 40 vezes dos detectores de ondas gravitacionais necessários para observar nascimentos em buracos negros.
Os astrofísicos previram formas de onda gravitacionais complexas criadas pelas convulsões das estrelas de nêutrons à medida que formam buracos negros. Essas ondas gravitacionais podem nos permitir ouvir a física nuclear de uma estrela de nêutrons em colapso.
Por exemplo, foi demonstrado que eles podem revelar claramente se os nêutrons da estrela permanecem como nêutrons ou se eles se dividem em um mar de quarks, as menores partículas subatômicas de todas. Se pudéssemos observar nêutrons se transformando em quarks e depois desaparecendo na singularidade do buraco negro, seria o inverso exato do Big Bang onde, da singularidade, emergiram as partículas que criaram nosso universo.
Publicado em 05/04/2021 00h11
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