Inteligência artificial consegue simular detectores de ondas gravitacionais melhores que os nossos!

A observação de ondas gravitacionais é, atualmente, realizada por detectores como o LIGO e o Virgo. Na próxima década, um observatório espacial, chamado LISA, será lançado. Os instrumentos por trás dessas observações se chamam interferômetros que são longos braços perpendiculares com espelhos nas extremidades. Dessa forma, um laser é dividido e enviado pelos braços e quando a agem de uma onda gravitacional causa alterações no comprimento desses braços, é possível perceber a interferência.

Apesar de serem extremamente sensíveis, os detectores atuais de ondas gravitacionais possuem limitações. Alguns deles são ruídos térmicos, ruídos quânticos e vibrações ambientais podem afetar a observação principalmente de sinais mais fracos. Além disso, a configuração física dos detectores existentes impõe restrições na faixa de frequências das ondas gravitacionais que podem ser observadas atualmente. Isso afeta o tipo de objeto que podem ser observados por esses instrumentos.

Recentemente, pesquisadores desenvolveram um modelo de inteligência artificial capaz de simular o desempenho de até 50 detectores de ondas gravitacionais com configurações variadas. Essa IA, chamada Urania, explora diferentes configurações como comprimento dos braços, potência do laser e arranjo dos espelhos. As simulações mostraram que esses detectores projetados pela IA poderiam superar significativamente a sensibilidade e a faixa de detecção dos instrumentos atuais.

Ondas Gravitacionais

Ondas gravitacionais são perturbações no tecido do espaço-tempo, uma analogia seria as ondulações que se propagam na superfície de um lago quando uma pedra é lançada. Elas foram previstas pela Teoria da Relatividade Geral de Albert Einstein e são geradas por eventos que envolvem a aceleração de grandes massas. Alguns exemplos são colisões de buracos negros, fusão de estrelas de nêutrons ou a explosão de supernovas.

Essas perturbações gravitacionais esticam e comprimem o espaço-tempo à medida que am. No entanto, esses efeitos são extremamente pequenos, mesmo para eventos cósmicos extremamente energéticos, tornando sua detecção muito difícil. A intensidade de uma onda gravitacional diminui com a distância da fonte, e sua frequência é determinada pela natureza do evento que a gerou.

Como observar ondas gravitacionais?

A observação de ondas gravitacionais é realizada por detectores terrestres, principalmente interferômetros como o LIGO e Virgo. Esses instrumentos utilizam lasers que percorrem longos braços perpendiculares. A agem de uma onda gravitacional causa minúsculas variações no comprimento desses braços, quando os lasers se encontram após serem refletidos, eles são detectados pela interferência da luz.

Os observatórios atuais de ondas gravitacionais possuem algumas limitações. Algumas dessas limitações tem a ver com ruídos de diferentes fontes que podem obscurecer os sinais gravitacionais, especialmente aqueles fracos ou de alta frequência. Outra limitação é o projeto físico dos interferômetros que estabelece uma faixa de frequências de detecção, tornando a observação de certos tipos de eventos impossível.

Urania

Recentemente, grupo de pesquisadores construiu um algoritmo de inteligência artificial que recebeu o nome de Urania. Esse modelo identificou 50 possíveis projetos de detectores de ondas gravitacionais que superariam os atuais planejados por humanos. O artigo afirma que esse modelo pode expandir a forma como observamos o Universo em um fator de 50. Inclusive, observar as primeiras ondas gravitacionais do Universo no momento do Big Bang.

O modelo Urania foi utilizado para explorar e otimizar parâmetros como o comprimento dos braços do interferômetro, a potência do laser e o arranjo dos espelhos. Ao simular o desempenho de até 50 detectores com configurações variadas, a IA conseguiu identificar configurações que ofereceriam uma sensibilidade e uma faixa de detecção superiores aos instrumentos atuais.

Avanço nas observações

Os detectores de ondas gravitacionais propostos por Urania abrangem uma faixa de frequência que vai de 10 a 5000 Hz. Essa faixa de frequência inclui diferentes eventos cósmicos como fusões de buracos negros supermassivos. Outro evento que é de interesse científico são as ondas gravitacionais das primeiras estrelas do universo. Com essas possibilidades, até mesmo seria possível medir com maior confiança a taxa de expansão do Universo.

Um dos detectores aumentaria a sensibilidade às ondas gravitacionais de supernovas em um fator de 1,6 em comparação com a próxima atualização do LIGO. Isso poderia quadruplicar o número de detecções feitas e alcançar sinais bem menos intensos. Essa melhoria na sensibilidade e no alcance observacional poderia ajudar a responder diferentes perguntas em aberto na Astronomia.

Referência da notícia

Digital Discovery of Interferometric Gravitational Wave Detectors. 11 de abril, 2025. Krenn, et al.