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Espelho magnético vai detectar ondas gravitacionais no espaço

Espelho magnético vai detectar ondas gravitacionais no espaço
Protótipo do espelho magnético, já montado em uma base giratória. [Imagem: G. Pisano et al. - 10.1364/AO.55.010255]

Ondulações no espaço-tempo

A detecção das ondas gravitacionais, escolhida pela revista Science como o principal feito científico de 2016, promete ficar ainda melhor e mais precisa.

Um novo dispositivo magnético, baseado em espelhos, vai ajudar os cosmólogos a descobrir novos detalhes sobre essas ondulações no espaço-tempo, particularmente aquelas emitidas quando o Universo era muito jovem.

O desenvolvimento é parte de uma colaboração multi-institucional financiada pela Agência Espacial Europeia (ESA) para desenvolver tecnologias para futuras missões, como a sonda espacial COE (sigla em inglês para Explorador das Origens Cósmicas).

Essa missão espacial terá por objetivo traçar mapas de céu inteiro, em alta resolução, da radiação cósmica de fundo em micro-ondas - uma radiação que permeia todo o céu e que os cientistas acreditam serem os ecos do Big Bang.

Polarização de modo B

A radiação cósmica de fundo tem sido objeto de intensa investigação desde a sua descoberta, há cerca de 50 anos. Mais recentemente, os astrofísicos passaram a prestar mais atenção nos componentes polarizados desse fundo de micro-ondas, em particular um componente chamado modo B, que se acredita conter a chave para informações sobre as ondas gravitacionais primordiais e os processos físicos que ocorreram bem no início da história do Universo.

Essa polarização de modo B chegou a fundamentar uma alegação de detecção das ondas gravitacionais em 2014, mas a alegação foi desfeita depois que se descobriu que os equipamentos do experimento BICEP2 não tinham a precisão suficiente - finalmente, em 2016, as ondas gravitacionais foram detectadas pelo experimento LIGO.

Agora, os engenheiros construíram um novo tipo de modulador de polarização, baseado em um espelho magnético, que promete superar o grande desafio para detectar de fato a polarização em modo B - a capacidade de modular a polarização de micro-ondas em uma ampla faixa de frequência. A operação de banda larga é necessária para separar o espectro da polarização em modo B, que é extremamente fraca, da radiação de primeiro plano gerada por outras fontes astrofísicas.

"Como outras equipes, temos trabalhado há mais de duas décadas no desenvolvimento de tecnologias que permitam a detecção da polarização em modo B," contou Giampaolo Pisano, da Universidade de Cardiff, no Reino Unido, primeiro idealizador do novo aparelho. "Este provou ser um problema desafiador porque somente uma parte minúscula do sinal total exibe esta polarização."

Espelho magnético vai detectar ondas gravitacionais no espaço
O detector é um metaespelho, um espelho feito de metamateriais. [Imagem: G. Pisano et al. - 10.1364/AO.55.010255]

Metaespelho

Um componente chave para a detecção da radiação em modo B é conhecido como placa de meia-onda, um dispositivo usado para modular a polarização da radiação eletromagnética. Girar a placa de meia-onda faz com que a polarização da radiação também gire, criando um padrão oscilante que pode ser distinguido do sinal constante da radiação não-polarizada.

Implementações anteriores dessas placas de meia-onda resultaram em dispositivos de banda estreita devido às propriedades ópticas dos materiais disponíveis ou ao projeto utilizado.

Pisano e seus colegas resolveram o problema usando uma abordagem completamente nova que usa metamateriais - materiais artificiais projetados com características não encontradas em materiais naturais - para criar um espelho magnético que foi combinado com uma grade polarizante.

"Os metamateriais nos permitiram inventar um material com as características que precisávamos," disse Pisano. "Como a abordagem que usamos é nova, ela nos permitiu superar os limites de faixa de frequência que outros pesquisadores enfrentaram."

"Agora que demonstramos o conceito, precisamos realizar testes de qualificação espacial para demonstrar sua robustez para um lançamento por satélite. Nós também precisamos implantá-lo em instrumentos de detecção de modo B baseados em terra para demonstrar sua usabilidade no campo," concluiu o pesquisador.

Bibliografia:

Multi-Octave Metamaterial Reflective Half-Wave Plate for Millimetre and Sub-Millimetre wave Applications
G. Pisano, B. Maffei, P.A.R. Ade, P. de Bernardis, P. de Maagt, B. Ellison, M. Henry, M.W. Ng, B. Schortt, C. Tucker
Applied Optics
Vol.: 55, 10255-10262
DOI: 10.1364/AO.55.010255




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