Cientistas da Universidade de Estocolmo, da Nordita e da Universidade de Tübingen propuseram um método fundamentalmente novo para detectar ondas gravitacionais: registrar as mudanças de cor da luz (fótons) emitida pelos átomos. Interferômetros com quilômetros de extensão são usados atualmente para esse fim. Se a teoria for confirmada, esses novos detectores permitirão a criação de instrumentos compactos para detectar uma nova classe de ondas gravitacionais, atualmente inobserváveis.
Fonte da imagem: Jerzy Michal Paczos
Os interferômetros modernos dos observatórios gravitacionais LIGO, Virgo e KAGRA, devido ao seu tamanho relativamente pequeno e braços de cerca de três quilômetros, detectam ondas gravitacionais provenientes da fusão de buracos negros e estrelas de nêutrons relativamente pequenos. Em outras palavras, são ondas gravitacionais de alta frequência.
A detecção de ondas gravitacionais de baixa frequência provenientes da fusão de buracos negros supermassivos com períodos de até vários anos requer detectores com espelhos separados por centenas ou milhares de quilômetros, o que só é possível no espaço. Tais projetos existem e serão implementados na segunda metade da década de 1930. Cientistas suíços desenvolveram uma teoria que promete criar detectores compactos para observar eventos tão grandes, que serão muito mais simples, baratos e rápidos de construir.
A ideia é que as ondas, ao passarem, modulam o campo eletromagnético quântico, que, por sua vez, está associado à emissão espontânea de fótons pelos átomos. Os átomos absorvem quanta de energia, ficam excitados e, após certo tempo, emitem fótons, retornando a estados estáveis. A modulação do campo eletromagnético quântico pela passagem de ondas gravitacionais altera ligeiramente a frequência dos fótons emitidos, com as mudanças (expressas como a cor da radiação) dependendo da direção de propagação dos fótons emitidos.
Até agora, isso passou despercebido porque as ondas gravitacionais não afetam a frequência (intensidade) dos fótons emitidos espontaneamente — sua contribuição não se expressa em mudanças quantitativas, e o brilho da luz permanece inalterado. No entanto, as características espectrais da luz se alteram.A variação depende da intensidade e da direção das ondas gravitacionais, o que já foi comprovado teoricamente. Isso oferece a esperança de detectar ondas gravitacionais de frequência extremamente baixa na escala de milímetros, em vez de dezenas de milhares de quilômetros.
Detectores baseados nesse novo princípio de detecção de ondas gravitacionais utilizarão a moderna tecnologia de relógios atômicos com átomos ultrafrios. Esses relógios atômicos são extremamente estáveis e podem monitorar eventos de longa duração, que podem chegar a vários anos, possibilitando a detecção de fusões de buracos negros supermassivos. Essa será uma excelente alternativa aos gigantescos interferômetros a laser espaciais e poderá ser implementada muito mais rapidamente do que a versão clássica do LIGO e de outros observatórios.
Os cientistas afirmam que uma análise detalhada do ruído é necessária para a implementação prática dessa ideia, e as estimativas iniciais são promissoras.