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Pergunte a Ethan: Se a luz se contrai e se expande com o espaço, como detectamos ondas gravitacionais?

Vista aérea do detector de ondas gravitacionais Virgo, situado em Cascina, perto de Pisa (Itália). O Virgo é um interferômetro gigante a laser Michelson com braços de 3 km de comprimento e complementa os detectores gêmeos LIGO de 4 km. (NICOLA BALDOCCHI / COLABORAÇÃO VIRGEM)

Os enormes braços do LIGO se contraem e se expandem à medida que as ondas gravitacionais passam por eles. Mas, surpreendentemente, a luz dentro deles também.

Nos últimos três anos, a humanidade conheceu um novo tipo de astronomia das tradicionais. Não estamos mais apenas detectando luz com um telescópio, ou neutrinos com enormes detectores de partículas, para nos dar uma olhada no Universo. Além disso, também estamos vendo, pela primeira vez, as ondulações inerentes ao próprio espaço: ondas gravitacionais. Os detectores LIGO, agora complementados pelo Virgo e que em breve se juntarão ao KAGRA e ao LIGO India, têm braços extralongos que se alongam e se contraem à medida que as ondas gravitacionais passam por eles, dando origem a um sinal detectável. Mas como isso funciona? Amrish Pandya quer saber, perguntando:

Se o comprimento de onda da luz se estende e se contrai com o espaço-tempo, como o LIGO pode detectar ondas gravitacionais. [Essas ondas] esticam e contraem os dois braços do detector LIGO e, portanto, as ondas de luz dentro dos dois braços [devem] esticar e contrair também. O número de comprimentos de onda de luz em cada braço não permaneceria o mesmo, portanto, não causaria alteração no padrão de interferência, tornando as ondas gravitacionais indetectáveis?

Este é um dos paradoxos mais comuns em que as pessoas pensam quando consideram as ondas gravitacionais. Vamos mergulhar para encontrar a resolução!

Em sua essência, um sistema como LIGO ou LISA é apenas um laser, disparado através de um divisor de feixe, enviado por dois caminhos perpendiculares idênticos e depois recombinado para criar um padrão de interferência. À medida que os comprimentos dos braços mudam, o padrão também muda. (COLABORAÇÃO LIGO)

A maneira como um detector de ondas gravitacionais, como o LIGO, funciona é a seguinte:

• dois braços longos de comprimentos exatamente iguais e múltiplos exatos de um determinado comprimento de onda de luz são criados,
• esses braços são evacuados de toda a matéria para que haja um vácuo perfeito dentro,
• luz coerente (do mesmo comprimento de onda) é dividida através de um divisor de feixe em dois componentes perpendiculares,
• um é enviado para baixo um braço e um é enviado para o outro,
• a luz é refletida muitas (milhares) de vezes entre as duas extremidades de cada braço,
• e então a luz é recombinada, onde cria um padrão de interferência.

Se os comprimentos dos braços forem os mesmos e a velocidade ao longo de ambos os braços for a mesma, então qualquer coisa viajando em ambas as direções perpendiculares chegará ao mesmo tempo. Mas se houver um vento de proa/vento de cauda efetivo em uma direção sobre a outra, haverá um atraso nos horários de chegada. Crédito da imagem: , via https://www.ligo.caltech.edu/page/ligos-ifo . (COLABORAÇÃO CIENTÍFICA DA LIGO)

Se o padrão de interferência permanecer absolutamente constante na ausência de um sinal de onda gravitacional, você sabe que configurou seu detector corretamente. Você sabe que levou em conta o ruído; você sabe que configurou seu experimento corretamente. Esta tem sido a luta pela qual o LIGO vem trabalhando há aproximadamente 40 anos: a tentativa de calibrar seu detector adequadamente e reduzir o nível de sensibilidade a um ponto em que ele seja capaz de detectar um verdadeiro sinal de onda gravitacional.

A magnitude desses sinais é incrivelmente pequena, e é por isso que tem sido um desafio alcançar as precisões e acurácias necessárias.

A sensibilidade do LIGO em função do tempo, comparada com a sensibilidade do design e o design do Advanced LIGO. Os picos são de várias fontes de ruído. (AMBER STUVER DE LIGO VIVO)

Quando estiver lá, no entanto, você estará pronto para procurar seu sinal real. As ondas gravitacionais são únicas entre todos os diferentes tipos de radiação produzidos no Universo. Em vez de assinaturas detectáveis ​​que podem interagir com partículas, as ondas gravitacionais são ondulações através do tecido do espaço.

Em vez de radiação monopolo (como portadora de carga) ou radiação dipolo (com campos oscilantes, como a eletromagnética), as ondas gravitacionais são uma forma de radiação quadrupolar.

E em vez de ter campos elétricos e magnéticos em fase que correm perpendicularmente à direção de propagação da onda, as ondas gravitacionais alternadamente esticam e comprimem o espaço pelo qual passam em direções mutuamente perpendiculares.

As ondas gravitacionais se propagam em uma direção, expandindo e comprimindo alternadamente o espaço em direções mutuamente perpendiculares, definidas pela polarização da onda gravitacional. (M. POSSEL/EINSTEIN ONLINE)

É por isso que construímos nossos detectores da maneira que os construímos. Quando uma onda gravitacional passa por um detector como o LIGO, um dos braços se comprime enquanto o outro se expande e vice-versa, em um padrão mutuamente oscilatório. Os detectores LIGO são deliberadamente colocados em ângulos entre si e em diferentes locais na superfície da Terra, de modo que não importa qual seja a orientação pela qual a onda passe, no máximo um detector será imune ao sinal da onda gravitacional.

Em outras palavras, não importa como a onda gravitacional esteja orientada, sempre haverá um detector que experimenta um encurtamento de um braço enquanto o outro se alonga, de maneira previsível e oscilatória, desde que a onda passe pelo detector.

Então, o que isso significa para a luz? A luz sempre se move com a mesma velocidade constante: c , ou 299.792.458 m/s. Essa é a velocidade da luz no vácuo, e o LIGO possui câmaras de vácuo dentro de ambos os braços. A questão é que, quando uma onda gravitacional passa por cada braço, alongando ou encurtando o braço, ela também aumenta ou diminui o comprimento de onda da luz dentro dele em uma quantidade correspondente.

Isso parece um problema na superfície: se a luz está se alongando ou encurtando à medida que os braços se alongam ou encurtam, então o padrão de interferência total deve permanecer inalterado à medida que a onda passa. Pelo menos, é isso que você intuiria.

As cinco fusões buraco negro-buraco negro descobertas pelo LIGO (e Virgo), juntamente com um sexto sinal, insuficientemente significativo. O buraco negro mais massivo visto pelo LIGO, até agora, tinha 36 massas solares, antes da fusão. No entanto, as galáxias contêm buracos negros supermassivos milhões ou mesmo bilhões de vezes a massa do Sol e, embora o LIGO não seja sensível a eles, o LISA será. Desde que a frequência do sinal da onda corresponda à quantidade de tempo que o feixe passa no detector, podemos esperar extraí-lo. (LIGO / CALTECH / SONOMA STATE (AURORE SIMONNET))

Mas isso é não como funciona. O comprimento de onda da luz, que é altamente dependente de como seu espaço muda à medida que uma onda gravitacional passa, não é importante para o padrão de interferência. O importante é a quantidade de tempo que a luz passa viajando pelos braços!

Quando uma onda gravitacional passa por um dos braços, ela altera o comprimento efetivo dos braços, o que, portanto, altera a distância que cada feixe de laser precisa percorrer. Um braço se alongará, resultando em um tempo de viagem de luz mais longo, enquanto o outro encurtará, resultando em um tempo de viagem de luz mais curto. À medida que os tempos de chegada relativos mudam, vemos um padrão oscilatório em como o padrão de interferência reconstruído muda.

Esta figura mostra reconstruções dos quatro sinais de ondas gravitacionais confiáveis ​​e um candidato (LVT151012) detectados pelo LIGO e Virgo, em 17 de outubro de 2017. A detecção mais recente de buracos negros, GW170814, foi observada em todos os três detectores. Observe que a duração da fusão é insignificante: de centenas de milissegundos até aproximadamente 2 segundos no máximo. (LIGO/VIRGO/B. FARR (UNIVERSITY OF OREGON))

Quando os feixes se reúnem, há uma diferença na quantidade de tempo que eles viajam e, portanto, uma mudança detectável no padrão de interferência resultante. A própria colaboração LIGO publicou uma analogia interessante para isso :

... imagine agora que você e um amigo querem comparar quanto tempo leva para dirigir até o final dos braços do interferômetro e voltar. Você concorda em viajar a precisamente 1 milha por hora. Assim como as ondas de luz laser do LIGO, você sai da estação da esquina exatamente ao mesmo tempo e viaja exatamente na mesma velocidade. Vocês devem se encontrar novamente exatamente ao mesmo tempo, apertar as mãos e seguir em frente. Mas digamos que você partiu e no meio do caminho, uma onda gravitacional passa. Um de vocês agora tem uma distância maior para viajar, enquanto o outro tem uma distância menor para viajar. Isso significa que um de vocês retornará antes do outro. Quando você estende a mão para apertar a mão do seu amigo, ele não está lá! Seu aperto de mão foi interferido! Como você sabe o quão rápido cada um estava viajando, você pode medir quanto tempo leva para seu amigo chegar e, em seguida, determinar quanto mais eles tiveram que viajar para se atrasar nesse valor.

Quando você faz isso com luz, ao contrário de um amigo, a medida que você usa não é um atraso no tempo de chegada (porque a diferença é algo como 10 a 19 metros), mas uma mudança no padrão de interferência observado.

Quando os dois braços têm exatamente o mesmo comprimento e não há onda gravitacional passando, o sinal é nulo e o padrão de interferência é constante. À medida que os comprimentos dos braços mudam, o sinal é real e oscilatório, e o padrão de interferência muda com o tempo de maneira previsível. (LUGAR ESPACIAL DA NASA)

É verdade: a luz muda para o vermelho e para o azul à medida que uma onda gravitacional passa pelo espaço que ocupa. À medida que o espaço se comprime, o comprimento de onda da luz se comprime, tornando-o mais azul; à medida que se rarifica, o comprimento de onda se estende, tornando-o mais vermelho. Mas essas mudanças são transitórias e relativamente sem importância, pelo menos, em comparação com a diferença no comprimento do caminho que a luz deve percorrer.

Este é o ponto chave e importante de tudo isso: a luz vermelha de comprimentos de onda longos e a luz azul de comprimentos de onda curtos levam a mesma quantidade de tempo para percorrer a mesma distância, mesmo que leve mais cristas e vales do azul luz para fazê-lo. A velocidade da luz no vácuo não é afetada pelo comprimento de onda da luz. O único fator que importa para o padrão de interferência é a distância que a luz precisa percorrer.

Quanto maior o comprimento de onda de um fóton, menor a energia. Mas todos os fótons, independentemente do comprimento de onda/energia, se movem na mesma velocidade: a velocidade da luz. O número de comprimentos de onda necessários para cobrir uma certa distância especificada pode mudar, mas o tempo de viagem da luz é o mesmo para ambos. (NASA/SONOMA STATE UNIVERSITY/AURORE SIMONNET)

É a distância variável em comprimentos de caminho à medida que uma onda gravitacional passa por um detector que determina a mudança nos padrões de interferência que vemos. À medida que a onda passa, uma direção dos braços se alonga, enquanto a outra se encurta simultaneamente, exigindo uma mudança relativa nos comprimentos do caminho e nos tempos de viagem da luz dos dois braços.

Como a luz se move através deles na velocidade da luz, as mudanças no comprimento de onda não são importantes; quando eles se encontrarem novamente, estarão no mesmo local no espaço-tempo e, portanto, seus comprimentos de onda serão idênticos. O que importa é que um feixe de luz passa mais tempo no detector e, quando eles se encontram novamente, estão fora de fase. É daí que vem o sinal LIGO e como detectamos ondas gravitacionais!

Envie suas perguntas Ask Ethan para beginwithabang no gmail ponto com !

Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium graças aos nossos apoiadores do Patreon . Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .

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