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Apr 30, 2024

CERN compartilha conhecimento do feixe de luz

A detecção direta de ondas gravitacionais em 2015 abriu uma nova janela para o universo, permitindo aos pesquisadores estudar o cosmos através da fusão de dados de múltiplas fontes. Atualmente existem quatro

A detecção direta de ondas gravitacionais em 2015 abriu uma nova janela para o universo, permitindo aos pesquisadores estudar o cosmos através da fusão de dados de múltiplas fontes. Existem atualmente quatro telescópios de ondas gravitacionais (GWTs) em operação: LIGO em dois locais nos EUA, Virgo na Itália, KAGRA no Japão e GEO600 na Alemanha. Estão em andamento discussões para estabelecer um local adicional na Índia. A detecção de ondas gravitacionais é baseada na interferometria laser de Michelson com cavidades de Fabry-Perot, que revela a expansão e contração do espaço ao nível de dez milésimos do tamanho de um núcleo atômico, ou seja, 10-19 m. Apesar da tensão extremamente baixa que precisa ser detectada, uma média de uma onda gravitacional é medida por semana de medição, estudando e minimizando todas as fontes de ruído possíveis, incluindo vibração sísmica e dispersão de gás residual. Este último é reduzido colocando o interferômetro em um tubo onde é gerado vácuo ultra-alto. No caso de Virgem, o vácuo dentro dos dois braços perpendiculares de 3 km de comprimento do interferômetro é inferior a 10-9 mbar.

Enquanto as instalações atuais estão a ser operadas e atualizadas, a comunidade das ondas gravitacionais também se concentra numa nova geração de GWTs que proporcionará uma sensibilidade ainda melhor. Isto seria conseguido através de braços interferómetros mais longos, juntamente com uma redução drástica do ruído que poderia exigir o arrefecimento criogénico dos espelhos. Os dois principais estudos são o Telescópio Einstein (ET) na Europa e o Cosmic Explorer (CE) nos EUA. O comprimento total dos vasos de vácuo previstos para os interferômetros ET e CE é de 120 km e 160 km, respectivamente, com diâmetro de tubo de 1 a 1,2 m. As pressões operacionais exigidas são típicas daquelas necessárias para aceleradores modernos (ou seja, na região de 10-10 mbar para o hidrogénio e ainda mais baixas para outras espécies de gás). A próxima geração de GWTs representaria, portanto, os maiores sistemas de ultra-alto vácuo já construídos.

A próxima geração de telescópios de ondas gravitacionais representaria os maiores sistemas de ultra-alto vácuo já construídos.

Produzir essas pressões não é difícil, pois os atuais sistemas de vácuo dos interferômetros GWT possuem um grau de vácuo comparável. Em vez disso, o desafio é o custo. Na verdade, se as soluções da geração anterior fossem adoptadas, o sistema de tubos de vácuo representaria metade do custo estimado da CE e não muito longe de um terço da ET, que é dominada pela engenharia civil subterrânea. A redução do custo dos sistemas de vácuo requer o desenvolvimento de diferentes abordagens técnicas em relação às instalações da geração anterior. O desenvolvimento de tecnologias mais baratas é também um tema fundamental para futuros aceleradores e já é visível uma sinergia em termos de métodos de fabrico, tratamentos de superfície e procedimentos de instalação.

Dentro de uma estrutura oficial entre o CERN e os principais institutos do estudo ET – Nikhef na Holanda e INFN na Itália – os grupos TE-VSC e EN-MME do CERN estão compartilhando sua experiência em vácuo, materiais, fabricação e tratamentos de superfície com o setor gravitacional- comunidade de ondas. A atividade teve início em setembro de 2022 e deverá ser concluída no final de 2025 com um relatório de projeto técnico e um teste completo de um setor piloto de navio a vácuo. Durante o workshop “Beampipes for Gravitational Wave Telescopes 2023”, realizado no CERN de 27 a 29 de março, 85 especialistas de diferentes comunidades que abrangem tecnologias de aceleradores e ondas gravitacionais e de empresas que se concentram na produção de aço, fabricação de tubos e equipamentos de vácuo se reuniram para discutir os últimos progressos. O evento seguiu-se a outro semelhante organizado pelo LIGO Livingston em 2019, que deu orientações importantes para temas de pesquisa.

Traçando um curso Numa série de contribuições introdutórias, foram apresentados os elementos teóricos básicos relativos aos requisitos de vácuo e ao estado dos estudos de CE e ET, destacando iniciativas em tecnologias de vácuo e materiais realizadas na Europa e nos EUA. A descrição detalhada dos atuais sistemas de vácuo GWT forneceu um ponto de partida para as apresentações dos desenvolvimentos em curso. Para realizar uma análise e redução eficaz de custos, todo o processo deve ser levado em consideração – incluindo produção e tratamento de matérias-primas, fabricação, tratamento de superfície, logística, instalação e comissionamento no túnel. Adicionalmente, as interfaces com as áreas experimentais e outros serviços como engenharia civil, distribuição elétrica e ventilação são essenciais para avaliar o impacto das escolhas tecnológicas para as tubulações de vácuo.