Interferómetros são ferramentas de investigação utilizadas em muitos campos da ciência e engenharia. Eles são chamados de interferômetros porque funcionam através da fusão de duas ou mais fontes de luz para criar um padrão de interferência, que pode ser medido e analisado; daí o ‘Interfere-o-meter’, ou interferômetro. Os padrões de interferência gerados pelos interferômetros contêm informações sobre o objeto ou fenômeno que está sendo estudado. Eles são frequentemente usados para fazer medições muito pequenas que não são alcançáveis de outra forma. É por isso que eles são tão poderosos para detectar ondas gravitacionais – os interferômetros da LIGO são projetados para medir uma distância 1/10.000 da largura de um próton!

Largamente usados hoje em dia, os interferômetros foram realmente inventados no final do século 19 por Albert Michelson. O Interferómetro Michelson foi usado em 1887 na “Experiência Michelson-Morley”, que se propôs a provar ou refutar a existência do “Éter Luminífero” – uma substância na altura pensada para permear o Universo. Todos os interferómetros modernos evoluíram a partir deste primeiro desde que demonstrou como as propriedades da luz podem ser utilizadas para fazer as mais ínfimas das medições. A invenção dos lasers permitiu que os interferômetros fizessem as menores medições possíveis, como as exigidas pelo LIGO.

Remarkably, a estrutura básica dos interferômetros LIGO difere pouco do interferômetro que Michelson projetou há mais de 125 anos, mas com algumas características adicionais, descritas no Interferômetro LIGO.

Como é um interferómetro laser Michelson básico?

Por causa de sua ampla aplicação, os interferômetros vêm em uma variedade de formas e tamanhos. Eles são usados para medir tudo desde as menores variações na superfície de um organismo microscópico, até a estrutura de enormes extensões de gás e poeira no Universo distante, e agora, para detectar ondas gravitacionais. Apesar dos seus diferentes desenhos e das várias formas de utilização, todos os interferómetros têm uma coisa em comum: sobrepõem feixes de luz para gerar um padrão de interferência. A configuração básica de um interferómetro laser Michelson é mostrada à direita. Ele consiste de um laser, um divisor de feixe, uma série de espelhos e um fotodetector (o ponto preto) que registra o padrão de interferência.

O que é um padrão de interferência?

Para entender melhor como os interferômetros funcionam, ele ajuda a entender mais sobre ‘interferência’. Qualquer pessoa que tenha jogado pedras em um lago ou piscina plana e vítrea e observado o que aconteceu sabe sobre a interferência. Quando as pedras atingem a água, elas geram ondas concêntricas que se afastam da fonte. E onde duas ou mais dessas ondas concêntricas se cruzam, elas interferem uma com a outra. Esta interferência pode resultar em uma onda maior, uma onda menor, ou nenhuma onda. O padrão visível que ocorre onde as ondas se interceptam é simplesmente um padrão de “interferência”.

Os princípios de interferência são simples de entender. Duas ou mais ondas interagem. Você adiciona as alturas das ondas separadas enquanto elas interagem, e a onda resultante é o padrão de ‘interferência’. A figura à direita mostra dois tipos específicos de interferência: interferência construtiva total e interferência destrutiva total. A interferência construtiva total acontece quando os picos e os canais de duas (ou mais) ondas se encontram perfeitamente. Quando somadas, você ‘constrói’ uma onda maior, cujo tamanho é igual à soma das alturas (e profundidades!) das duas ondas em cada ponto em que elas estão interagindo fisicamente. A interferência destrutiva total ocorre quando os picos de uma ou mais ondas se encontram e combinam com os canais de uma onda idêntica. A adição destas juntas resulta no cancelamento uma da outra (ou seja, elas ‘destroem-se’ uma à outra).

Na natureza, os picos e canais de uma onda nem sempre se encontram perfeitamente com os picos ou canais de outra onda, como mostra a ilustração. Convenientemente, independentemente de quão in-sync eles estejam quando se fundem, a altura da onda resultante da interferência é sempre igual à soma das alturas das ondas que se fundem ao longo de cada ponto onde eles estão interagindo fisicamente. Assim, quando as ondas se encontram um pouco fora de sincronia, pode ocorrer interferência construtiva ou destrutiva parcial. A animação abaixo ilustra esse efeito. A onda preta mostra o resultado da soma dos picos e canais das ondas vermelhas e azuis enquanto elas se movimentam (interferem) umas com as outras. A soma das alturas/profundidades de cada onda em cada ponto à medida que elas se movem uma através da outra resulta na onda negra. Note que ela experimenta uma gama completa de alturas desde o dobro da altura/interferência construtiva total (high/deep) até flat (interferência destrutiva total). Neste exemplo, a onda preta é o padrão de interferência (o padrão que resulta da interferência contínua das ondas vermelha e azul). Observe como ela continua a mudar enquanto as ondas vermelha e azul continuam a interagir.

A onda preta que muda é o padrão de interferência criado pelas ondas vermelha e azul enquanto elas passam/interagem umas com as outras.

Parales com Luz

Acontece que as ondas de luz se comportam exatamente como as ondas de água. Quando dois feixes de luz laser se fundem, eles também geram um padrão de interferência que depende do quão bem alinhadas as ondas de luz estão quando se combinam. Assim como a água, quando os picos das ondas de um feixe se encontram perfeitamente nos canais de outro, ocorre uma interferência destrutiva total. Na água, o resultado é nenhuma onda. Na luz, o resultado é nenhuma luz! Ao contrário, quando os picos de um feixe se encontram perfeitamente com os picos de outro, ocorre total interferência construtiva. Novamente, na água, a altura da onda resultante é igual à soma das alturas das duas ondas; na luz, o resultado é uma luz igual à soma das intensidades dos dois feixes de luz separados. Levando esta analogia até ao fim, na água, à medida que as ondas passam uma pela outra, podem experimentar uma gama completa de interferências, desde parciais a totais construtivas e destrutivas (onda maior, onda menor, sem onda). Na luz, o resultado é uma gama completa de brilho, da escuridão à soma das intensidades dos feixes que interagem.

Paralelas entre a interferência construtiva e destrutiva na água e com a luz. (Adaptado de www.explainthatstuff.com)

Retorno aos interferómetros LIGO, o que dita o quão bem alinhados estão os feixes quando se fundem é a distância que percorrem antes de se fundirem. Se os feixes percorrem exatamente a mesma distância, suas ondas de luz estarão perfeitamente alinhadas para que resultem em total interferência destrutiva (LIGO é deliberadamente projetado para fazer isso acontecer se nenhuma onda gravitacional estiver passando). Mas se por algum motivo os lasers não viajarem as mesmas distâncias, suas ondas de luz não estão mais sincronizadas à medida que se fundem, o que significa que nenhuma luz, um pouco de luz, ou uma luz tão brilhante quanto o feixe laser original atinge o fotodetector. E se os braços estão mudando de comprimento ao longo do tempo, uma cintilação aparece enquanto os feixes experimentam uma gama de interferência dependendo de como eles se encontram em um determinado momento.

Como as ondas gravitacionais afetam o interferômetro LIGO?

Ondas gravitacionais fazem com que o próprio espaço se estique em uma direção e simultaneamente se comprima em uma direção perpendicular. No LIGO, isto faz com que um braço do interferómetro fique mais longo enquanto o outro fica mais curto, depois vice-versa, para trás e para a frente enquanto a onda está a passar. O termo técnico para este movimento é “Differential Arm”, ou deslocamento diferencial, uma vez que os braços estão mudando simultaneamente de comprimento de forma oposta, ou diferentemente.

Como descrito acima, como os comprimentos dos braços mudam, assim também muda a distância percorrida por cada feixe de laser. Um feixe num braço mais curto retornará ao separador de feixes antes do feixe num braço mais longo, então a situação muda à medida que os braços oscilam entre ser mais comprido e mais curto. Chegando em momentos diferentes, as ondas de luz não se encontram mais bem quando recombinadas no divisor de feixes. Em vez disso, elas entram e saem de alinhamento ou “fase” à medida que se fundem enquanto a onda faz oscilar o comprimento dos braços. Em termos simples, isto resulta em uma cintilação de luz emergindo do interferômetro. Este processo é ilustrado no clip à direita do Messengers de Einstein .

Embora em princípio a ideia pareça quase simples, na prática, detectar que a cintilação não é. A mudança no comprimento do braço causada por uma onda gravitacional pode ser tão pequena quanto 1/10.000º da largura de um próton (ou seja, 10-19 m)! Além disso, encontrar uma onda gravitacional cintilando entre todas as outras experiências LIGO (causada por qualquer coisa que possa abalar os espelhos, como terremotos ou tráfego em estradas próximas) é outra história. A Tecnologia LIGO descreve em detalhes como a LIGO filtra muito desse “ruído” a fim de detectar a ‘tremulação’ telescópica da luz causada por uma onda gravitacional.