Detecção de Ondas Gravitacionais

As ondas gravitacionais são detectadas medindo as minúsculas mudanças que induzem nos comprimentos relativos dos braços perpendiculares de interferômetros a laser gigantes, um feito alcançado pela primeira vez pelo LIGO em 2015.

Definition

A detecção de ondas gravitacionais é a medição da deformação, a mudança fracionária na distância, produzida por uma onda que passa, realizada por interferometria a laser em linhas de base de quilômetros no solo, por interferômetros espaciais planejados e por arranjos de cronometragem de pulsares de milissegundos em frequências muito baixas.

Scope

Este tópico abrange o princípio da detecção interferométrica, a resposta de um interferômetro em forma de L à deformação da onda, as fontes de ruído dominantes (sísmico, térmico e ruído quântico de disparo) e as técnicas usadas para suprimi-las, a rede global de detectores (LIGO, Virgo, KAGRA) e os observatórios espaciais e de cronometragem de pulsares planejados, e a análise de dados de filtragem casada usada para extrair sinais do ruído.

Core questions

• Como um interferômetro a laser converte a deformação do espaço-tempo em um sinal mensurável?
• Quais fontes de ruído limitam a sensibilidade e como são superadas?
• Como sinais fracos são identificados dentro do ruído do detector?

Key concepts

• Interferômetro a laser
• Sensibilidade à deformação
• Ruído sísmico e térmico
• Ruído quântico de disparo
• Rede de detectores e triangulação
• Filtragem casada

Key theories

Medição interferométrica de deformação

Uma onda que passa altera os comprimentos de dois braços perpendiculares do interferômetro de forma oposta, deslocando a interferência da luz laser recombinada, de modo que o deslocamento de fase medido é uma leitura direta da deformação da onda gravitacional.

Detecção por filtro casado

Como as formas de onda esperadas podem ser calculadas antecipadamente, sinais muito abaixo do ruído são extraídos correlacionando os dados com bancos de modelos teóricos, a técnica que confirmou a primeira fusão de buracos negros.

Clinical relevance

A tecnologia de detecção define o que a astronomia de ondas gravitacionais pode observar: interferômetros terrestres cobrem a banda de áudio de fusões de massa estelar, missões espaciais planejadas alcançarão frequências mais baixas para binários de buracos negros massivos, e arranjos de cronometragem de pulsares sondam ondas de nanohertz de pares de buracos negros supermassivos, abrangendo juntos o espectro de ondas gravitacionais.

History

As tentativas de Joseph Weber com barras ressonantes na década de 1960 impulsionaram o campo; Weiss concebeu a abordagem interferométrica no início da década de 1970, e após décadas de desenvolvimento, o LIGO alcançou a primeira detecção direta em setembro de 2015, uma conquista reconhecida pelo Prêmio Nobel de 2017 para Weiss, Thorne e Barish.

Key figures

• Rainer Weiss
• Kip Thorne
• Barry Barish
• Ronald Drever

Seminal works

• abbott2016
• saulson1994

Frequently asked questions

Como os detectores podem medir uma mudança de comprimento menor que um núcleo atômico?

Usando braços de quilômetros de comprimento, lasers estabilizados de alta potência refletidos milhares de vezes e isolamento extremo de distúrbios sísmicos e térmicos, os interferômetros detectam a mudança diferencial de comprimento do braço da ordem de 10^-18 metros que uma onda gravitacional produz.

Por que são necessários vários detectores em vez de um?

Uma rede confirma que um sinal é astrofísico em vez de ruído local e, comparando os tempos de chegada em locais amplamente separados, localiza a fonte no céu, o que é essencial para apontar telescópios para acompanhamento multi-mensageiro.