vibrações mecanicas ondas gravitacionais

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CONCEITO
As ondas gravitacionais são perturbações no espaço-tempo que se propagam na velocidade da luz. Elas são produzidas por eventos cósmicos violentos, como a colisão de buracos negros ou estrelas de nêutrons. As ondas gravitacionais foram previstas pela teoria da relatividade geral de Albert Einstein em 1916, mas só foram detectadas diretamente em 2015 pelo Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferometria Laser (LIGO), um projeto colaborativo entre cientistas dos Estados Unidos e de outros países, como também, a colaboração de instituições em vários países, incluindo Alemanha, Reino Unido, Itália, Japão e Austrália. 
A equipe responsável pela detecção das ondas gravitacionais incluiu mais de mil cientistas de diversas áreas, como física teórica e experimental, engenharia e computação. A descoberta foi anunciada em fevereiro de 2016, em uma coletiva de imprensa que contou com a presença dos líderes do projeto e representantes das instituições envolvidas. 
 
 
FUNCIONAMENTO 
O LIGO (Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferometria Laser) funciona detectando as ondas gravitacionais que passam pela Terra. O detector é composto por dois braços perpendiculares de 4 km de comprimento, cada um contendo um espelho suspenso por cabos de sílica fundida. Um feixe laser é dividido em dois e enviado pelos braços do interferômetro, refletido pelos espelhos e retorna ao ponto de partida, onde os feixes são recombinados. Se uma onda gravitacional passar pelo detector, ela causará uma mudança no comprimento dos braços do interferômetro, que será detectada como uma mudança na intensidade do feixe de laser combinado.
Para aumentar a sensibilidade do detector, inclui várias melhorias no design básico do interferômetro. Cada braço contém um ressonador óptico que multiplica o efeito da onda gravitacional na fase da luz. Um espelho parcialmente refletor na entrada fornece amplificação adicional da luz laser no interferômetro como um todo. Um espelho parcialmente refletor na saída otimiza a sensibilidade do detector para diferentes frequências das ondas gravitacionais. 
 
ESTRUTURA MECÂNICA 
Sua estrutura é composta por dois detectores idênticos localizados em Livingston, Louisiana e Hanford, Washington. Cada detector tem em sua estrutura mecânica:
 
- Tubos a vácuo: Os braços do interferômetro são formados por tubos a vácuo com 1,2 metros de diâmetro e 4 km de comprimento. Os tubos são feitos de aço inoxidável e revestidos com alumínio para refletir a luz;
 
- Espelhos: Cada braço do interferômetro contém dois espelhos suspensos por cabos de sílica fundida. Os espelhos têm um diâmetro de 34 cm e são feitos de substratos de sílica fundida com revestimentos ópticos de baixa perda dielétrica;
 
- Suspensões: Os espelhos são suspensos por cabos de sílica fundida para minimizar as vibrações mecânicas. As suspensões foram projetadas para serem altamente isolantes, permitindo que os espelhos sejam mantidos estáveis com relação ao solo;
 
- Isolamento sísmico: O LIGO é construído em plataformas flutuantes maciças que reduzem as vibrações sísmicas. As plataformas são suportadas por sistemas hidráulicos ativos que ajustam continuamente a posição dos detectores para manter os espelhos no lugar;
 
- Sistema óptico: O feixe laser é dividido em dois e enviado pelos braços do interferômetro, refletido pelos espelhos e retorna ao ponto de partida, onde os feixes são recombinados. O sistema óptico inclui lentes, espelhos e detectores de luz para medir a intensidade do feixe combinado;
 
- Sistema de controle: O LIGO é controlado por um sistema de computador sofisticado que monitora continuamente o desempenho do detector e ajusta os parâmetros para maximizar a sensibilidade.
A estrutura mecânica foi projetada para minimizar as fontes de ruído e maximizar a sensibilidade do detector às ondas gravitacionais.
 
TÉCNICA UTILIZADA 
O LIGO utiliza a técnica de interferometria laser para detectar ondas gravitacionais. A interferometria laser é uma técnica que usa um feixe de luz laser dividido em dois caminhos perpendiculares, refletidos por espelhos e recombinados para medir pequenas mudanças no comprimento dos caminhos ópticos. Quando uma onda gravitacional passa pelo detector, ela causa uma mudança no comprimento dos braços do interferômetro, que é detectada como uma mudança na intensidade do feixe de laser combinado. O projeto possui várias melhorias no design básico do interferômetro para aumentar sua sensibilidade e minimizar o ruído de fundo.
 
ISOLAMENTO
Suspensões ópticas (isolamento de vibração passiva) - Os espelhos devem ser tão bem protegidos da vibração que o movimento aleatório dos átomos dentro dos espelhos e suas caixas possam ser detectados. Cada uma das massas de teste do LIGO é suspensa dentro de um sistema de pêndulo quádruplo. Este sistema reduz significativamente o movimento. As suspensões utilizam componentes de isolamento de vibração passivos e ativos. As duas "cadeias" de massas suspensas pendem costas com costas em cada sistema de suspensão. Cada cadeia contém quatro massas. Na Cadeia Principal, as duas massas superiores são feitas de aço, e as duas inferiores são feitas de sílica fundida pura. Os fios não se expandem ou contraem em resposta às variações de temperatura, isolando assim os espelhos desse ruído térmico. 
Isolamento Sísmico (isolamento de vibração ativa) - As suspensões quádruplas são montadas abaixo de sistemas ativos de isolamento sísmico/vibração, proporcionando o ambiente mais silencioso possível para operação. Nesses sistemas, as plataformas internas de isolamento sísmico utilizam sensores de posição e vibração (como sismômetros) sintonizados em diferentes frequências de vibrações ambientais, juntamente com atuadores de ímã permanente. Juntos, esses sistemas neutralizam os movimentos do solo, mantendo os componentes internos do interferômetro praticamente livres de movimento. 
Assim as duas "cadeias" estão alinhadas em série, conectados em uma sequência, de forma que as vibrações transmitidas para um pêndulo são atenuadas antes de alcançar o próximo pêndulo na sequência e paralelas em relação de uma “cadeia” para a outra. O sistema é projetado para combinar os componentes de isolamento em série e paralelo, em torno de todo o seu sistema.
 
MÉTODOS DE MONITORAMENTO E CALIBRAÇÃO 
 
A calibração do sistema de isolamento é um processo complexo que envolve várias etapas. O objetivo principal da calibração é converter a saída do detector em uma medida precisa da mudança no comprimento dos braços do interferômetro, que é uma medida direta da passagem de ondas gravitacionais. 
Aqui está um detalhamento completo das etapas envolvidas na calibração do sistema de isolamento:
 
 - Monitoramento constante: O sistema de isolamento é monitorado constantemente para garantir que esteja operando com a máxima precisão possível. Isso envolve o uso de sensores para medir as vibrações ambientais e outros fatores que possam afetar o desempenho do detector;
 
 - Testes regulares: São realizados testes regulares para verificar a precisão do sistema e ajustar os parâmetros conforme necessário. Isso inclui testes para verificar a estabilidade dos pêndulos, espelhos e outros componentes do sistema de suspensão;
 
 - Modelos computacionais: Os modelos computacionais são usados para prever o comportamento do sistema em diferentes condições e comparar essas previsões com as medições reais. Isso ajuda a identificar quaisquer desvios no desempenho do detector e permite que os engenheiros façam ajustes conforme necessário;
 
 - Calibração externa: A calibração externa envolve o uso de fontes conhecidas de ondas gravitacionais, como pulsares binários, para verificar a precisão do detector;
 
 - Documentação: É importante documentar todas as etapas do processo de calibração para garantir que o sistema esteja sempre operando com a máxima precisão possível. Isso inclui manter registros detalhados de todos os testes e ajustes realizados no sistema de isolamento.
 
 - Sistema de feedback - os sistemas de monitoramentoe controle feedback são basicamente os mesmos utilizados diariamente por nós, só que com uma precisão gigantesca e milhares de outros níveis. O sistema de feedback e controle que mantém apenas os braços do LIGO em perfeito alinhamento relata mudanças 16.384 vezes por segundo. Isso é uma vez a cada 0,000061 segundos e 3.500 vezes mais rápido que o tempo de reação humana, enquanto um sistema de controle de cruzeiro apenas dez vezes por segundo.
 
MÉTODO DE BALANCEAMENTO
 
O método de balanceamento envolve o uso de pesos adicionais para ajustar a posição das massas espelhadas do detector. Esses pesos são adicionados aos pêndulos do sistema de suspensão e ajustados cuidadosamente para garantir que as massas espelhadas estejam em equilíbrio. O processo de balanceamento é realizado com o detector desligado e envolve a medição cuidadosa da posição das massas espelhadas em relação ao centro do detector. Os pesos são então adicionados e ajustados até que as massas estejam em equilíbrio. Uma vez que o sistema tenha sido balanceado, ele é cuidadosamente monitorado para garantir que permaneça em equilíbrio durante a operação. Qualquer desvio no equilíbrio pode ser corrigido usando o mesmo método de balanceamento. 
 
 
BIBLIOGRAFIA 
 
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