Uma equipe de cientistas e engenheiros do Laboratório de Propulsão a Jato da NASA permitiu ao mundo dar um passo a mais para realizar o sonho de "ouvir" as ondas gravitatcionais - ondulações no espaço-tempo previstas por Albert Einstein no começo do século 20.
A pesquisa, realizada num laboratório do Jetlab em Pasadena, Califórnia., testou um sistema de lasers que voariam a bordo da propossta missão espacial chamada Laser Interferometer Space Antenna, ou LISA. O objetivo da missão é detectar os sinais sutis, assemelhados a sussurros, das ondas gravitacionais, que ainda não foram diretamente observadas. E não é uma tarefa fácil, com muitos desafios adiante.
Os novos testes do JPL alcançaram um marco significativo, demonstrando pela primeira vez que ruído, ou flutuações aleatórias, nos raios laser da LISA podem ser silenciadas o bastante para ouvir o doce som das furtivas ondas.
Um dos principais objetivos da LISA é detectar ondas gravitatcionais diretamente. Estudos dessas ondas cósmicas começaram décadas atrás quando, em 1974, pesquisadores descobriram um par de estrelas mortas orbitando - um tipo chamado pulsars - que se aproximavam juntas cada vez mais em espiral devido a uma inexplicável perda de energia. Aquela energia foi posteriormente demonstrada ser em forma de ondas gravitacionais. Foi a primeira prova indireta da existência das ondas, e no fim das contas ganhou o Prêmio Nobel de Física em 1993.
A LISA não deverá apenas "ouvir" as ondas, mas também aprender mais a respeito de suas fontes - objetos massivos como buracos negros e estrelas mortas, que cantam as ondas como melodias para o universo, à medida que os objetos aceleram através do espaço e do tempo. A missão deverá poder detectar ondas gravitacionais de objetos massivos em nossa galáxia da Via Láctea, e tamlém em galáxias distantes, permitindo aos cientistas sintonizar em uma inteiramente nova linguagem de nosso universo.
A missão proposta seria composta de um gigantesco triângulo de três espaçonaves distintas, cada qual conectada por raios laser. Estas espaçonaves voariam em formação ao redor do Sol, cerca de 20 graus atrás da Terra.
Cada uma carregaria um cubo feito de platina e ouro que flutua livremente no espaço. Quando ondas gravitacionais passam pela espaçonave, elas fariam a distância entre os cubos, ou massas de teste, variar em proporções quase imperceptíveis - mas o suficiente para os instrumentos extremamente sensiveis da LISA conseguirem detectar mudanças correspondentes nos raios laser que as conectam.
"As ondas gravitacionais farão os 'batoques' sacudir , mas apenas um mínimo," disse Glenn de Vine, cientista pesquisador e coautor do recente estudo no JPL. "Meu amigo disse uma vez que é meio parecido com com patinhos de borracha flutuando numa banheira."
A equipe do JPL passou os seis últimos anos trabalhando em aspectos dessa tecnologia LISA, incluindo instrumentos chamados medidores de fase, que são instrumentos sofisticados, detectores de raios laser.
A última pesquisa cumpriu um de seus principais objetivos - reduzir o ruído do laser detectado pelos medidores de fase em um bilhão de vezes, ou o bastante para detectar o sinal de ondas gravitacionais.
O trabalho é parecido com tentar encontrar um próton num palheiro. Ondas gravitacionais modificariam a distância entre duas espaçonaves - que estão voando distantes 5 milhões de quilômetros uma da outra - em cerca de 1 picômetro, que é cerca de 100 milhões de vezes menor que a espessura de um fio de cabelo humano. Em outras palavras, as espaçonaves estão 5.000.000.000 de metros distantes, e a LISA detectaria variações naquela distância da ordem de 0,000000000005 metros!
No coração da tecnologia laser da LISA está um processo conhecido por interferometria, que fundamentalmente revela se as distâncias percorridas pelos raios de luz laser, e assim a distância entre as três espaçonaves, variaram devido a ondas gravitacionais. O processo se assemelha a combinar ondas oceânicas - às vezes elas se acumulam e ficam maiores, e outras vezes elas se cancelam mutuamente ou diminuem de tamanho.
"Não podemos usar uma fita para medir as distâncias entre essas espaçonaves," disse de Vine, "Então nós utilizamos lasers. Os comprimentos de onda dos lasers fazem o papel dos traços em uma fita métrica."
Na LISA, a luz laser é detectada pelos medidores de fase, e então enviada ao solo, onde é "interferida" via processamento de dados o processo é chamado interferometria por atraso temporal, por essa razão - há uma demora antes de a técnica de interferometria ser aplicada).
Se o padrão de interferência entre os raios laser for o mesmo, então isso significa que as espaçonaves não se moveram em relação umas às outras. Se o padrão de interferência mudar, então elas se moveram. Se todas as demais razões para o movimento das espaçonaves tiverem sido eliminadas, então as ondas gravitacionais são a causa.
Essa é a ideia básica. Na realidade, há uma porção de outros fatores que tornam esse processo mais complexo. Por um detalhe, as espaçonaves não ficam paradas. Elas naturalmente se movem por razões que não têm relação com ondas gravitacionais. Outro desafio é o ruído dos raios laser. Como saber se as espaçonaves se moveram por causa das ondas gravitacionais, ou se o ruído no laser apenas faz parecer que as espaçonaves se moveram?
Essa é a questão que a equipe do JPL recentemente levou para o laboratório, que simula o sistema LISA. Eles introduziram ruído artificial, aleatório em seus lasers e então, através de um complicado conjunto de ações de processamento de dados, subtraíram a maior parte dele. Seu sucesso recente demonstou que eles poderiam observar variações nas distâncias entre espaçonaves simuladas da ordem de 1 picômetro.
Em suma, eles silenciaram o rugido dos raios laser, para que a LISA, se selecionada para construção, poderá ouvir a suave melodia das ondas gravitacionais do universo.
This artist’s concept shows the proposed LISA mission, which would consist of three distinct spacecraft, each connected by laser beams. It would be the first space-based mission to attempt the detection of gravitational waves - ripples in space-time that are emitted by exotic objects such as black holes. Image credit: ESA
A team of scientists and engineers at NASA's Jet Propulsion Laboratory has brought the world one step closer to "hearing" gravitational waves - ripples in space and time predicted by Albert Einstein in the early 20th century.
The research, performed in a lab at JPL in Pasadena, Calif., tested a system of lasers that would fly aboard the proposed space mission called Laser Interferometer Space Antenna, or LISA. The mission's goal is to detect the subtle, whisper-like signals of gravitational waves, which have yet to be directly observed. This is no easy task, and many challenges lie ahead.
The new JPL tests hit one significant milestone, demonstrating for the first time that noise, or random fluctuations, in LISA's laser beams can be hushed enough to hear the sweet sounds of the elusive waves.
One of LISA's primary goals is to detect gravitational waves directly. Studies of these cosmic waves began in earnest decades ago when, in 1974, researchers discovered a pair of orbiting dead stars - a type called pulsars - that were spiraling closer and closer together due to an unexplainable loss of energy. That energy was later shown to be in the form of gravitational waves. This was the first indirect proof of the waves, and ultimately earned the 1993 Nobel Prize in Physics.
LISA is expected to not only "hear" the waves, but also learn more about their sources - massive objects such as black holes and dead stars, which sing the waves like melodies out to the universe as the objects accelerate through space and time. The mission would be able to detect gravitational waves from massive objects in our Milky Way galaxy as well as distant galaxies, allowing scientists to tune into an entirely new language of our universe.
The proposed mission would amount to a giant triangle of three distinct spacecraft, each connected by laser beams. These spacecraft would fly in formation around the sun, about 20 degrees behind Earth. Each one would hold a cube made of platinum and gold that floats freely in space. As gravitational waves pass by the spacecraft, they would cause the distance between the cubes, or test masses, to change by almost imperceptible amounts - but enough for LISA's extremely sensitive instruments to be able to detect corresponding changes in the connecting laser beams.
"The gravitational waves will cause the 'corks' to bob around, but just by a tiny bit," said Glenn de Vine, a research scientist and co-author of the recent study at JPL. "My friend once said it's sort of like rubber duckies bouncing around in a bathtub."
The JPL team has spent the last six years working on aspects of this LISA technology, including instruments called phase meters, which are sophisticated laser beam detectors. The latest research accomplishes one of their main goals - to reduce the laser noise detected by the phase meters by one billion times, or enough to detect the signal of gravitational waves.
The job is like trying to find a proton in a haystack. Gravitational waves would change the distance between two spacecraft - which are flying at 5 million kilometers (3.1 million miles) apart - by about a picometer, which is about 100 million times smaller than the width of a human hair. In other words, the spacecraft are 5,000,000,000 meters apart, and LISA would detect changes in that distance on the order of .000000000005 meters!
At the heart of the LISA laser technology is a process known as interferometry, which ultimately reveals if the distances traveled by the laser beams of light, and thus the distance between the three spacecraft, have changed due to gravitational waves. The process is like combining ocean waves - sometimes they pile up and grow bigger, and sometimes they cancel each other out or diminish in size.
"We can't use a tape measure to get the distances between these spacecraft," said de Vine, "So we use lasers. The wavelengths of the lasers are like our tick marks on a tape measure."
On LISA, the laser light is detected by the phase meters and then sent to the ground, where it is "interfered" via data processing (the process is called time-delay interferometry for this reason - there's a delay before the interferometry technique is applied). If the interference pattern between the laser beams is the same, then that means the spacecraft haven't moved relative to each other. If the interference pattern changes, then they did. If all other reasons for spacecraft movement have been eliminated, then gravitational waves are the culprit.
That's the basic idea. In reality, there are a host of other factors that make this process more complex. For one thing, the spacecraft don't stay put. They naturally move around for reasons that have nothing to do with gravitational waves. Another challenge is the laser beam noise. How do you know if the spacecraft moved because of gravitational waves, or if noise in the laser is just making it seem as if the spacecraft moved?
This is the question the JPL team recently took to their laboratory, which mimics the LISA system. They introduced random, artificial noise into their lasers and then, through a complicated set of data processing actions, subtracted most of it back out. Their recent success demonstrated that they could see changes in the distances between mock spacecraft on the order of a picometer.
In essence, they hushed the roar of the laser beams, so that LISA, if selected for construction, will be able to hear the universe softly hum a tune of gravitational waves.
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