Interferometria Laser e Ondas Gravitacionais (ART3911)

Escrito por Newton C Braga

O prêmio Nobel de física de 2017 foi dado a três pesquisadores (Rainer Weiss, Barry C. Barish e Kip S. Thorne) que trabalhando no LIGO (*) conseguiram detectar ondas gravitacionais, previstas pela teoria da relatividade de Einstein. Neste artigo, procuramos de forma simples, atendendo aos nossos leitores que possuem muito mais conhecimento de eletrônica do da física, explicar um pouco mais sobre o que foi feito no experimento que levou a detecção das ondas gravitacionais.

 

(*) Ligo é o acrônimo para Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory ou Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferômetro Laser.

 

 

O que é Interferometria a Laser ?

O fenômeno da interferência é largamente estudado na física das ondas ou física ondulatório, sendo analisados com todos os tipos de ondas, como as ondas de som, ondas de rádio, ondas de luz (ondas eletromagnéticas). No nosso curso básico de eletrônica detalhamos este fenômeno, para o qual damos uma breve explicação que visa facilitar o entendimento deste artigo.

 

Interferência

Podemos tomar como exemplo os sons que são ondas com pontos de maior intensidade e menor intensidade (compressão e descompressão). Se tivermos duas fontes sonoras de mesma frequências, na propagação existirão pontos em que os picos de compressão das ondas de uma fonte coincidem com os pontos de menor compressão. Nesses pontos ocorre o cancelamento dos sinais, ou seja, teremos uma interferência destrutiva, conforme mostra a figura 1.

 

Figura 1
Figura 1

 

Por outro lado, se a movimentação dos cones for tal que tenhamos compressão do ar nos mesmos semiciclos. o rendimento da reprodução será muito maior, veja exemplo na figura 2

 

   Figura 2
Figura 2

 

Com as ondas de luz (ondas eletromagnéticas) ocorre o mesmo. Se ondas de duas fontes incidirem num anteparo em fase, ou seja, com os pontos de máximo coincidindo, elas se somam e neste local teremos maior claridade.

Se as ondas incidirem em oposição de fase, ocorre o cancelamento. Este fenômeno foi usado para provar a natureza ondulatória da luz. Obtendo dois feixes de luz em fase a partir de uma fonte, pela passagem por dois orifícios, no anteparo se obteve um padrão de claros e escuros, conforme mostra a figura 3, conforme havia o cancelamento ou a soma das intensidade da luz.

 

Figura 3
Figura 3

 

Nas partes escuros temos o cancelamento da luz pois os feixes que produzem esta imagem estão em oposição de fase e nas partes clara os feixes estão em fase somando sua luz.

 

Laser

A ideia do LASER que o leitor poderá analisar em detalhes no ART2598 é a de se obter uma emissão de um feixe luz concentrado e em fase.

Temos a possibilidade de obter com laser, luz em fase. A produção da luz sob condições de uma câmara ressonante, em que se obtém uma onda estacionária, faz com que a emissão de um laser ocorra em fase, o que não acontece com uma fonte comum, mesmo que monocromática, como uma lâmpada neon ou um LED, em que a radiação de mesmo comprimento de onda aparece desordenada em fase. (figura 4)

 

Figura 4 – Emissão em fase
Figura 4 – Emissão em fase

 

Isso significa que o LASER consiste numa fonte ideal de luz em fase que pode ser usada em experimentos de física, como o que ocorre na interferometria, que explicaremos mais adiante.

Antes vamos tratar das ondas gravitacionais

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Ondas gravitacionais

Na física, as influências que os corpos têm uns sobre os outros podem ter diversas naturezas. Essas influências são denominadas “campos”.

Assim, dizemos que em torno de um corpo se manifesta um campo quando este corpo, de alguma forma, pode exercer uma influência sobre outro copo que seja imerso nesse campo.

Nós que trabalhamos com eletricidade estão familiarizados com o campo elétrico que se manifesta em torno de uma carga carregada e que pode exercer uma força de atração ou repulsão sobre outra carga que esteja nele. (figura 5)

 

Figura 5.
Figura 5.

 

 

Representamos este campo por linhas de força.

Também tratamos de campos magnéticos, como os produzidos pelos imãs que fazem com que se manifestem forças de atração ou repulsão sobre corpos que neles sejam imersos. (figura 6)

 

Figura 6 – Campo magnético de um imã permanente
Figura 6 – Campo magnético de um imã permanente

 

No entanto, existe ainda um outro campo, que não é de natureza elétrica e que está presente em nosso mundo.

A terra, com sua grande massa, cria a sua volta um campo que atua sobre objetos que também tenham massa exercendo uma força de atração. Trata-se do campo gravitacional, ou gravidade.

Conforme podemos ver pela figura 7, ele é representado da mesma maneira que um campo elétrico de uma carga esférica, com a diferença de que ele exerce apenas atração.

Qualquer objeto material colocado neste campo é atraído pela terra.

 

Figura 7
Figura 7

 

Einstein, em sua teoria da relatividade propôs que este campo se manifestaria exatamente como os campos produzidos pela cargas elétricas.

Quando movimentamos uma carga, ela produz uma perturbação criando uma onda que se propaga pelo espaço na velocidade da luz.

Na verdade, a própria luz é criada desta forma. Uma perturbação do campo elétrico e magnético que se propaga pelo espaço.

Segundo Einstein, a movimentação de uma massa, ou a aniquilação de uma massa quando ocorre quando uma estrela explode como super-nova ou quando dois buracos negros se engolem, produziria uma perturbação gravitacional que se propagaria pelo espaço na velocidade da luz.

Isso quer dizer que se uma massa gigantesca for aniquilada num determinado ponto do universo, sua influência gravitacional sobre um corpo distante não chegaria até ele instantaneamente, mas algum de tempo depois quando ele for atingido pela perturbação gerada, ou seja, pela onda gravitacional.

Einstein achava que essas ondas nunca poderiam ser detectadas, pois seriam extremamente fracas.

Mesmo um par de buracos negros com dimensões de milhares de terras, ao se aniquilar produziram uma perturbação gravitacional que deslocaria os corpos aqui na terra de distância da ordem de fração da largura de um átomo.

O que ocorre é que estas ondas afetam o que se denomina continuum espaço-tempo que é o meio em que estamos imersos no nosso universo.

Assim, é como se o tecido de que é feito o universo fosse flexível podendo sofrer contrações e distensões causadas por ondas gravitacionais.

Se uma onda gravitacional atinge um objeto ele se contrai e se distende numa fração extremamente pequena, mudando suas dimensões.

A ideia de se detectar essas ondas vem justamente desse fato, vindo desde 1957 quando foi proposta por físicos importantes da época.

No entanto, os deslocamentos ou mudanças de forma que ocorrem num corpo pela passagem de uma eventual onda são tão pequenas, que desde aquela época não se conseguiu fazer sua detecção.

Com o desenvolvimento da tecnologia isso se tornou possível agora conforme passamos a ver.

 

Interferometria e LIGO

Podemos usar um feixe de luz em fase para medir distâncias extremamente pequenas ou deslocamentos muito pequenos.

Como comprimento de onda da luz é muito pequeno, da ordem de nanômetro ou próximos das dimensões de um átomo, se um de dois feixes de luz em fase for deslocado de uma distância dessa ordem, ele já pode sair de fase e isso pode ser detectado por sensores.

 

Figura 8
Figura 8

 

Se fizermos uma montagem como a mostrada na figura 8 teremos um meio de se detectar deslocamentos extremamente pequenos de um objeto.

De que forma isso é possível?

Produzimos um feixe de LASER que, conforme explicamos, consiste em luz coerente.

O feixe incide num especo semitransparente, ou seja, um especo que refete 50% de luz e deixa passar os outros 50% sendo obtidos dois feixes de LASER, mas em direções que formam um ângulo de 90 graus.

Um dos feixes vai até um especo e volta, passando pelo espelho semitransparente e incidindo no detector.

O outro feixe vai até o objeto onde existe um espelho preso em que ele reflete e volta. Na volta o feixe é desviado e incide também no detector.

Se a distância até o objeto ou até o espelho for cuidadosamente ajustada podemos fazer com que os feixes cheguem em oposição de fase e se cancelem.

O resultado será um sinal nulo no detector, ou ausência de luz.

No entanto, se o objeto se movimentar, seja um movimento da ordem da fração das dimensões de um átomo, isso é suficiente para mudar a fase de um dos feixes de luz e teremos um sinal no detector.

É claro que tudo isso deve ser feito numa montagem extremamente delicada e precisa.

Para isso foi criado dentro de uma série experimentos denominada LIGO um equipamento ou detectores em dois lugares, Hanford e Linvingston, separados por uma distância de 3002 quilômetros de modo que, na velocidade da luz, tenhamos uma diferença de 10 ms entre a ação de uma eventual onda gravitacional em dois sensores colocados nestes locais.

Os sensores nada mais são do que dois espelho de sílica de 40 kg de modo a poderem refletir o feixe de um laser Nd:YAG de 20 W a parir de uma potência de entrada de 700 W. (figura 9\)

 

Figura 9
Figura 9

 

A ideia de dois detectores em locais muito distante é para se evitar que os sinais detectados forem enganosos, de um fenômeno próximo, por exemplo. Uma detecção simultânea em locais distantes indicaria que a perturbação veio realmente do cosmo.

E, foi o que ocorre conforme os registros na figura 10.

Os picos dos sinais mostram em instante em que uma perturbação foi captada simultaneamente nos dois sensores tirando os sinais de oposição de fase e assim, obtendo-se uma resposta de grande amplitude.

 

Figura 10 – Imagem da Kungl Vetenskaps Akadamien (Academia do Premio Nobel)
Figura 10 – Imagem da Kungl Vetenskaps Akadamien (Academia do Premio Nobel)

 

A onda gravitacional detectada foi posteriormente associada dois buracos negros em processo de fusão, cada um com 30 massas solares a uma distância de 1,2 bilhão de anos luz, conforme sugere a figura 11.

 

Figura 11
Figura 11

 

Os leitores que desejarem saber mais sobre interferometria, LASER e o Prêmio Nobel de 2017 podem consultar:

 

Nossos artigos:

- Curso Básico de Eletrônica – Som e Luz

- ART1181 – Como funcionam os foto-diodos

- Documentação técnica avançada da Academia do Prêmio Nobel (em inglês) - https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2017/advanced-physicsprize2017.pdf