D15 Cosmologia Observacional: Ondas Gravitacionais como Sirenes Padrão

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O elemento-chave deste modelo é a rede de interferômetros a laser, com braços de vários quilômetros de comprimento, que detecta as distorções do espaço-tempo produzidas pela fusão de buracos negros e estrelas de nêutrons — um efeito tão pequeno que o comprimento de cada braço varia muito menos do que o diâmetro de um único próton.

O princípio por trás dessa rede é simples: um feixe de laser se divide e viaja ao longo de dois braços perpendiculares, e a diferença no comprimento do caminho óptico que uma onda gravitacional produz entre esses dois braços aparece como uma mudança mensurável no padrão de interferência resultante.

Para essa mesma rede, as fusões de estrelas de nêutrons são indicadores padrão particularmente valiosos: a amplitude da própria onda gravitacional fornece diretamente a distância de luminosidade, sem a necessidade de passar por nenhuma das etapas da tradicional escala de distâncias, enquanto uma possível contraparte eletromagnética, por sua vez, fornece o desvio para o vermelho. Juntos, esses dois dados permitem que a taxa de expansão do universo seja medida por um método completamente independente de todos os anteriores.

O aspecto mais notável desses instrumentos é sua capacidade de suprimir praticamente qualquer outra fonte de ruído até que o sinal do próprio espaço-tempo se torne detectável: suspensões de múltiplos estágios que isolam os espelhos das vibrações do solo por muitas ordens de magnitude, um vácuo extremamente alto dentro dos tubos de feixe e a potência do laser amplificada muitas vezes dentro de cavidades ópticas ressonantes.

A primeira fusão de estrelas de nêutrons detectada dessa forma forneceu a distância de luminosidade diretamente a partir da amplitude da onda, enquanto um espectrógrafo separado mediu o desvio para o vermelho de seu brilho visível, produzindo assim a primeira medição da taxa de expansão do universo usando esse método totalmente novo. Portanto, desde a rede de interferômetros a laser com a qual este artigo começa até a primeira medição com a qual ele conclui, por meio do princípio da interferência e das sirenes padrão, a cosmologia observacional permite que uma única onda gravitacional, sem depender de nenhum degrau da tradicional escala de distância, meça, por si só, a velocidade de expansão do universo.

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