Como os átomos gigantes podem ajudar a capturar ondas gravitacionais do Big Bang

Houve muita emoção no ano passado, quando a colaboração LIGO detectou ondas gravitacionais , que são ondulações no tecido do próprio espaço. E não é de admirar – foi uma das descobertas mais importantes do século. Ao medir as ondas gravitacionais de processos astrofísicos intensos como a fusão de buracos negros, o experimento abre uma maneira completamente nova de observar e entender o universo.

Mas há limites para o que a LIGO pode fazer. Enquanto as ondas gravitacionais existem com uma grande variedade de frequências, LIGO só pode detectar aquelas dentro de um certo intervalo. Em particular, não há como medir o tipo de ondas gravitacionais de alta freqüência que foram geradas no próprio Big Bang. Pegar essas ondas revolucionaria a cosmologia, dando-nos informações cruciais sobre como o universo chegou. Nossa pesquisa  apresenta um modelo que um dia pode permitir isso.

Na teoria da relatividade geral desenvolvida por Einstein, a massa de um objeto curva espaço e tempo – quanto mais massa, mais curvatura. Isso é semelhante a como uma pessoa estica o tecido de um trampolim ao pisar nele. Se a pessoa começar a mover-se para cima e para baixo, isso geraria ondulações no tecido que se moverão para fora da posição da pessoa. A velocidade em que a pessoa está saltando determinará a freqüência das ondulações geradas no tecido.

Um traço importante do Big Bang é o fundo de microondas cósmicas. Esta é a radiação que sobrou do nascimento do universo, criou cerca de 300.000 anos após o Big Bang. Mas o nascimento de nosso universo também criou ondas gravitacionais – e estas teriam se originado apenas uma fração de segundo após o evento. Como essas ondas gravitacionais contêm informações inestimáveis ​​sobre a origem do universo, há muito interesse em detectá-las. As ondas com as frequências mais altas podem ter se originado durante as transições de fase do universo primitivo ou por vibrações e encaixe de cordas cósmicas.

Nossa equipe de pesquisa, das universidades de Aberdeen e Leeds, pensa que os átomos podem ter uma vantagem na detecção de ondas gravitacionais indescritíveis e de alta freqüência. Calculamos que um grupo de átomos “altamente excitados” ( chamados de átomos de Rydberg  – nos quais os elétrons foram afastados do núcleo do átomo , tornando-o enorme – emitirá um pulso de luz brilhante quando atingido por uma onda gravitacional.

Para tornar os átomos excitados, iluminamos uma luz sobre eles. Cada um desses átomos ampliados geralmente é muito frágil e a menor perturbação irá fazê-los colapsar, liberando a luz absorvida. No entanto, a interação com uma onda gravitacional pode ser muito fraca e seu efeito será mascarado pelas muitas interações , como colisões com outros átomos ou partículas.

Em vez de analisar a interação com átomos individuais, modelamos o comportamento coletivo de um grande grupo de átomos juntos. Se o grupo de átomos estiver exposto a um campo comum, como nosso campo gravitacional oscilante, isso induzirá os átomos excitados a decair tudo ao mesmo tempo. Os átomos libertarão então um grande número de fótons (partículas de luz), gerando um pulso intenso de luz, apelidado de “superradiação”.

À medida que os átomos de Rydberg submetidos a uma onda gravitacional superarão como resultado da interação, podemos adivinhar que uma onda gravitacional passou pelo conjunto atômico sempre que vemos um pulso de luz.

Ao mudar o tamanho dos átomos, podemos fazê-los irradiar para diferentes freqüências da onda gravitacional. Isso pode ser útil para detecção em diferentes intervalos. Usando o tipo apropriado de átomos, e em condições ideais, poderia ser possível usar esta técnica para medir as ondas gravitacionais relíquias do nascimento do universo. Ao analisar o sinal dos átomos é possível determinar as propriedades e, portanto, a origem das ondas gravitacionais.

Pode haver alguns desafios para esta técnica experimental: o principal é obter os átomos em um estado altamente excitado. Outro é ter átomos suficientes, pois são tão grandes que se tornam muito difíceis de conter.

Fonte: Universal-sci