Combatendo o ruído

A elevada sensibilidade que o Advanced Virgo precisa atingir para observar as minúsculas variações espaço-temporais induzidas pela passagem de ondas gravitacionais através do detector representa um verdadeiro desafio. Por um lado, o Advanced Virgo foi concebido para maximizar a sua resposta a uma onda gravitacional (ver Disposição Ótica). Por outro lado, é necessário eliminar ou, pelo menos, suprimir em grande parte, numerosas fontes de ruído. Estas incluem: o movimento térmico dos átomos que constituem os espelhos e as fibras a que estão ligados; a frequência do laser, a potência e a instabilidade de alinhamento; as moléculas de ar presentes no trajeto do feixe laser; as deformações termomecânicas induzidas pela potência laser absorvida; as imperfeições na qualidade ótica dos espelhos; o ruído eletrônico dos fotodiodos e da eletrônica; os ruídos dos sensores e atuadores dos muitos sistemas de feedback necessários para manter o Advanced Virgo no seu ponto de funcionamento; os ruídos fundamentais da própria luz, tal como descritos na Mecânica Quântica…
Além disso, o ambiente natural em que o Advanced Virgo se insere é, por si só, uma fonte de ruídos que têm de ser filtrados: o movimento sísmico do solo, o mau tempo, ruídos eletromagnéticos ou mesmo as alterações no campo gravitacional local devido ao movimento de massas em torno dos espelhos do interferômetro Virgo, entre outros.
Aumentar o sinal e reduzir todos os ruídos, ou, como dizem os cientistas, maximizar a razão sinal-ruído, é um desafio tremendo: as ações para atingir este objetivo dão forma ao Advanced Virgo e tornam-no extremamente complexo e fascinante.

Ruídos sísmicos

O interferómetro Virgo está assente no solo e esse solo está sempre a mover-se. Os seres humanos só sentem isto no caso daquilo a que chamamos “terremotos” (um movimento do solo suficientemente grande para ser sentido), mas este abalo permanente, mesmo muito pequeno, é uma preocupação para o detector, dada a precisão com que a posição dos seus espelhos tem de ser controlada. Para o reduzir drasticamente, cada um dos espelhos do Virgo é suspenso por uma longa cadeia de pêndulos, o Superatenuador, alojado numa torre de 10 metros de altura. O seu efeito combinado é tal que a amplitude dos movimentos do solo que têm uma periodicidade igual ou inferior a 0,1 segundos (uma frequência igual ou superior a 10 Hz) é reduzida por um fator 1012, ou seja, mais de mil milhões de vezes! Estes superatenuadores não são apenas passivos: são também utilizados para controlar ativamente a posição dos espelhos. A frequências mais baixas (movimentos mais lentos), estes sistemas rejeitam cada vez menos o ruído sísmico, cuja contribuição se torna dominante. Isto explica porque é que os atuais detectores de ondas gravitacionais terrestres não conseguem detectar sinais cuja frequência seja inferior a cerca de 10 Hz. Este “muro sísmico” é um limite fundamental para todos estes instrumentos – embora projetos futuros, como o Telescópio Einstein subterrâneo, planejem reduzir esse limite para alguns Hertz. A utilização de detectores espaciais (como o projeto LISA) é a única forma de eliminar o ruído sísmico.

Terremotos Violentos 

Os sismos suficientemente fortes (cuja intensidade efetiva depende da magnitude do sismo e da distância do seu epicentro ao local do Virgo) exercem pressão sobre o sistema de controle do Virgo, podendo perder-se o ponto de funcionamento e interromper-se a recolha de dados. Estas interrupções podem durar muito tempo: antes de readquirir o controle de todo o detector, pode ser necessário esperar que a excitação, criada pela perda abrupta de controle ou diretamente pelo excesso de ruído sísmico, seja amortecida.

A fim de estimar se um determinado sismo pode ultrapassar o controle do detector e minimizar a possível interrupção, Virgo recebe avisos precoces do Serviço Geológico dos EUA (USGS). Para os sismos suficientemente afastados do EGO, o aviso é de fato “precoce”, o que significa que é recebido antes de as ondas sísmicas chegarem ao local. Embora não haja forma de proteger o detector destas, este atraso extra pode ser utilizado para atenuar o efeito de ondas sísmicas potencialmente fortes. Além disso, uma colaboração com o Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (INGV) italiano deverá levar à utilização de um segundo sistema de alerta precoce de sismos, para complementar o do USGS. Este sistema proporcionará uma cobertura mais completa dos sismos e permitirá receber mais cedo os alertas de sismos próximos da Itália e, por conseguinte, do interferômetro Virgo.

Mau tempo

Outra fonte de perturbação para o detector Virgo é o mau tempo, nomeadamente ventos fortes e atividade marítima intensa: as ondas que batem na costa do Tirreno produzem ruído sísmico que se propaga até ao local do EGO, a cerca de 10 quilómetros de distância. Este tremor da superfície terrestre é bem conhecido dos geofísicos e é designado por microssismo marítimo. Períodos de elevada atividade marítima correspondem a uma menor sensibilidade do Virgo devido a um maior ruído sísmico no local. Além disso, os microssismos marinhos induzem pequenos transientes de ruído (glitches) que afetam a qualidade dos dados e produzem sinais que podem ser mal interpretados como ondas gravitacionais (falsos alarmes). Os microssismos marinhos podem também afetar os componentes do detector em geral, aumentando, por exemplo, o ruído devido à luz dispersa, reduzindo a precisão do controle do detector e, consequentemente, a sua sensibilidade às ondas gravitacionais.
Os relâmpagos também podem perturbar o Virgo: tanto como interferência eletromagnética como, num momento posterior, como ondas de pressão sonora que induzem vibrações no solo e nos componentes mecânicos do detetor.

Ruído térmico

O ruído térmico é toda uma classe de ruídos ligados à agitação térmica aleatória dos átomos e moléculas que constituem todas as peças do detector: quanto maior a temperatura e as perdas mecânicas, maior é essa agitação e, portanto, o ruído. O Virgo funciona à temperatura ambiente e a principal estratégia para reduzir os ruídos térmicos é empregar materiais de altíssima qualidade, com baixo atrito interno. O principal ruído térmico que limita a nossa sensibilidade provém dos espelhos e das suas suspensões: o efeito induzido é uma vibração aleatória da superfície do espelho que pode mascarar os sinais das ondas gravitacionais.
Não só os espelhos e as suas fibras de suspensão são feitos de um material com baixo ruído térmico intrínseco, como também são preferidos grandes diâmetros do feixe de laser: isto ajuda a reduzir o efeito do ruído térmico, calculando a média da vibração aleatória da superfície do espelho numa grande área de medição. Para os detetores da próxima geração, os espelhos serão também arrefecidos a temperaturas criogênicas.

Ruído Quântico

Nos impressionantes níveis de sensibilidade de um detector interferométrico como o Advanced Virgo, a natureza quântica da luz estabelece o limite máximo. No domínio quântico, a luz pode ser considerada como sendo constituída por um fluxo de pacotes de energia discretos, os fotões (fótons). Estes são “contados” pelos fotodetectores utilizados para medir a potência da luz e também empurram os espelhos em que são refletidos. Do mesmo modo, uma vez que o fluxo de fotões (fótons) varia, são geradas duas contribuições de ruído: o ruído de contagem de fotões (ou ruído de disparo, dominante a alta frequência) e o ruído de pressão de radiação (dominante a baixa frequência); coletivamente, são designados por ruído quântico.

Estas duas fontes de ruído são inversamente proporcionais à potência do laser: o ruído de disparo é reduzido com um laser mais potente, enquanto o ruído da pressão de radiação aumenta com a mesma potência. Por conseguinte, é necessário encontrar um equilíbrio entre estes dois efeitos para minimizar o impacto do seu ruído combinado na sensibilidade do detector – que, em última análise, deve ser boa, tanto a baixas como a altas frequências. Para uma dada frequência da onda gravitacional que se pretende detectar, existe uma potência laser ótima que minimiza a combinação destes dois ruídos. Esta situação de equilíbrio entre o ruído de disparo e o ruído da pressão de radiação é designada por Limite Quântico Padrão.

Sistema de Vácuo

O sistema de vácuo é uma parte essencial da infraestrutura do Virgo. Todos os componentes mais críticos, como os espelhos dos braços, o divisor de feixe e os espelhos de reciclagem, estão alojados em torres de vácuo para eliminar os ruídos devidos à presença de moléculas de ar. Pela mesma razão, os feixes laser propagam-se no vácuo: as câmaras de vácuo que alojam as óticas principais estão, portanto, ligadas por tubos de vácuo por onde circula o feixe laser. Os maiores tubos do Virgo, que ligam as duas torres das cavidades Fabry-Perot, têm 3 quilômetros de comprimento e 1,2 m de diâmetro. A pressão do gás residual tem de ser extremamente baixa, cerca de um bilhão de vezes inferior à da atmosfera normal! Isto faz do Virgo uma enorme câmara de ultra-alto vácuo de 6800 m, que é efetivamente o maior sistema de ultra-alto vácuo da Europa.

Para atingir este valor muito baixo, os tubos de aço inoxidável foram construídos segundo um processo metalúrgico especial que envolve a dessorção do hidrogênio a 400°C; além disso, uma vez instalados e após o vácuo inicial ter sido bombeado, os tubos foram aquecidos a 100°C durante vários dias para eliminar as moléculas de água coladas à superfície do metal. Por fim, são instalados em cada extremidade dos tubos armadilhas criogênicas para impedir a migração das moléculas de água das torres não cozidas para os tubos.

Perdas óticas e sistema de compensação térmica

Como o princípio de detecção das ondas gravitacionais se baseia na luz, perder luz no detector equivale a perder também parte dos sinais das ondas gravitacionais. Como tal, as perdas óticas são críticas na experiência e devem ser contidas a um nível muito baixo.
Para não perdermos luz, temos de utilizar apenas óticas de última geração com desempenhos excepcionais. As óticas são fabricadas com o melhor vidro disponível, totalmente transparente e isento de defeitos. O polimento é feito ao nível atômico para obter uma superfície perfeitamente lisa, que dispersa a luz ao mínimo. Finalmente, é adicionado um revestimento especial para refletir mais de 99,999% da luz laser.
Todo o processo de fabricação das óticas e da sua instalação no Virgo tem de ser feito em salas limpas, para evitar poeiras e outros contaminantes.

Em Virgo, mesmo com as excelentes óticas, ainda existe alguma absorção ótica residual (da ordem de algumas partes por milhão). Esta absorção muito pequena, em conjunto com a grande potência laser em circulação (mais de 100000 Watt de luz nos braços), pode ainda ter alguns efeitos prejudiciais no funcionamento do detetor. Assim, para compensar esses efeitos, foi implementado um sistema de compensação térmica que pode alterar com o tempo a forma de alguns componentes óticos: é como adicionar óculos de correção a algumas óticas para restaurar o melhor funcionamento da máquina.

Ruído de Luz Dispersa

Para que a experiência funcione corretamente, o feixe de laser Virgo deve seguir uma trajetória bem definida e ter as propriedades espaciais esperadas. No entanto, alguma luz sai da trajetória principal em vários locais e é dispersa noutras direções. Isto pode dever-se à rugosidade residual das superfícies lisas dos sistemas óticos, ou a um efeito da interação da luz com imperfeições na massa dos sistemas óticos transmissivos, ou mesmo às moléculas de gás residuais presentes nas câmaras de vácuo e nos tubos do Virgo e que interagem com o feixe laser principal. A luz que se propaga em direções indesejadas pode também ser causada por transmissão ou reflexão residual da ótica. A luz dispersa pode ser nociva se voltar a acoplar-se ao feixe principal do interferômetro depois de ter sido refletida por algumas estruturas vibratórias: isto provoca um ruído adicional que pode então imitar um sinal de onda gravitacional ou estragar os sinais de controle necessários para manter o ponto de funcionamento do detector Virgo. Para lutar contra a luz difusa, Virgo utiliza componentes óticos de muito alta qualidade e baixas perdas, faz com que os feixes laser se propaguem no vácuo e adiciona placas absorventes de luz junto a todos os espelhos suspensos, bem como no interior dos tubos de vácuo dos braços do Virgo e nas bancadas que suportam a ótica.

Ruído Newtoniano

O ruído newtoniano é mais uma possível fonte de ruído que afeta um interferômetro de ondas gravitacionais como o Virgo. Este ruído tem origem em alterações locais dependentes do tempo no campo gravitacional próximo dos espelhos dos braços do interferômetro: estas alterações locais geram uma interação newtoniana (ou seja, descrita pela teoria clássica da gravidade) que desloca o espelho, perturbando assim a sensibilidade do detetor às ondas gravitacionais. As alterações locais do campo gravitacional podem, por exemplo, ser causadas por flutuações de densidade que se propagam no solo que rodeia o detetor e por ondas sísmicas. As perturbações da densidade atmosférica são também causas do ruído newtoniano: podem ser geradas, por exemplo, por ondas de pressão (na região do infrassom) e por flutuações de temperatura. Em geofísica, estas flutuações são de grande interesse porque contêm informações sobre processos como rupturas de falhas e perturbações da densidade atmosférica.

A fonte de Ruído Newtoniano é relevante a baixas frequências, ou seja, tem impacto na nossa capacidade de detectar ondas gravitacionais com frequências entre cerca de 1 e 20 Hz. O ruído newtoniano é uma interação direta do meio ambiente com o detetor: não é possível colocar um filtro para cancelar o seu efeito.
A principal estratégia adotada para atenuar o ruído newtoniano consiste em monitorizar as perturbações do campo gravitacional local utilizando um conjunto de sensores estrategicamente dispostos, tais como microfones e sismômetros, e depois subtrair o ruído newtoniano medido dos dados. O Advanced Virgo irá implementar este esquema durante os próximos períodos de observação.