Contribuições ao desenvolvimento do Multi-Nested Pendula para isolamento vibracional criogênico do LIGO Voyager

• Ano de defesa: 2017
• Autor(a) principal: Marcio Constâncio Junior
• Orientador(a): Odylio Denys Aguiar
• Banca de defesa: César Augusto Costa, José Carlos Neves de Araújo, Xavier Pierre Marie Gratens, Nei Fernandes de Oliveira Junior
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)
• Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós-Graduação do INPE em Astrofísica
• País: BR
• Resumo em Inglês: Gravitational Waves (GW) are perturbations in space-time, traveling at space-time itself at the speed of light. Its theoretical prediction derives from Einsteins General Relativity (GR), published early in the twentieth century. Their existence remained in theory, although Hulse and Taylor presented indirect evidences of their existence in 1975, until February 11th 2016, when the LIGO Scientific Collaboration (LSC) announced the first direct detection ever made from gravitational waves passing through the Earth. The GW signal, detected in September 14th, 2015 came from a binary system formed by two black holes during their coalescence process and gave rise to the Gravitational Wave Astronomy era. LIGO interferometric detector, responsible for this detection, has its working principle based on the effect of a passing GW, in which distortions in the fabric of space-time and in everything therein can be measured by using two test masses and monitoring their relative distances. The variation in distance can be related to the amplitude of the incoming GW by h$\approx$ $\frac{\Delta L}{L}$ . This is, basically, the working principle from LIGO interferometer, which uses Silica mirrors hanging from pendular suspensions as test masses and monitors the distance between them throught a high power laser beam. At the detection epoch, LIGO was just starting its first scientific run from its second generation, named aLIGO. However, although the second generation had just begun its scientific runs era, updates for the next generations are now starting to be developed in order to be implemented by the middle of the next decade. One of these upgrades, named LIGO Voyager, aims to use criogenics in order to reduce suspension and substrate thermal noise. That${'}$s the direction where the R\& D developed by GWINPE Gravitational Wave Group of Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais) is engaged, the first Brazilian group linked to LSC and co-author of the paper regarding the first direct gravitational-wave detection ever made. In a previous work (master degree), the development of a multipendular nested system, named ${''}$Multi-Nested Pendula${''}$ (MNP), was studied in order to be implemented as an additional stage to the vibration isolation system of test masses for future LIGO versions. In this work, we study this system, not only aiming to be an additional vibration stage for test masses, but to undertake the task of keeping LIGO Voyager test masses cooled to 124K while keeps a miminum requirement of vibration isolation determined by the intensity of photon backscattering and recombination in the main beam. Finally, well present which configuration makes possible to maintain the mirror temperature at 124 K without compromising the minimum vibration isolation required and we give direction to the researches that need to be performed in order to convert the MNP into an additional vibration isolation system for LIGO Voyager and/or interferometric gravitational wave detectors in general.
• Link de acesso: http://urlib.net/sid.inpe.br/mtc-m21b/2017/05.17.13.03

Ondas gravitacionais (OG) são perturbações no espaço-tempo propagando-se através do próprio espaço-tempo à velocidade da luz. Sua predição teórica deriva da teoria da Relatividade Geral de Einstein (RG), publicada no início do século XX. Sua existência permaneceu apenas na teoria, embora Hulse e Taylor tivessem apresentado evidências indiretas de sua existência em 1975, até 11 de Fevereiro de 2016, quando a colaboração científica LIGO anunciou a primeira detecção direta de ondas gravitacionais passando pela Terra. O sinal, detectado em 14 de Setembro de 2015, era proveniente de um sistema binário formado por dois buracos negros em processo de coalescência e deu início à era da Astronomia de Ondas Gravitacionais. O detector interferométrico LIGO, responsável pela detecção, baseia-se no principal efeito da passagem de uma onda gravitacional, no qual distorções do espaço-tempo e em tudo nele contido podem ser mensurados utilizando-se massas de teste e monitorando suas distâncias relativas. A variação nas distâncias relaciona-se com a amplitude da onda gravitacional incidente por meio da expressão h$\approx$ $\frac{\Delta L}{L}$ . Esse é, basicamente, o princípio de funcionamento do interferômetro LIGO que usa espelhos de Sílica em suspensões pendulares como massa de teste e monitora a distância entre eles usando um feixe laser de alta potência. Na época da detecção, o LIGO estava começando sua primeira corrida científica da sua segunda geração, denominada aLIGO. Contudo, embora a segunda geração tenha iniciado as eras de corridas científicas recentemente, atualizações para as gerações futuras já estão começando a ser desenvolvidas para serem implantadas em meados da próxima década. Uma destas atualizações, chamada de LIGO Voyager, prevê o uso de criogenia para a redução de ruído térmico das suspensões e das massas de teste. E é nessa direção que insere-se a pesquisa realizada pelo grupo GWINPE (Gravitational Wave Group of Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais), primeiro grupo brasileiro vinculado à colaboração LIGO e coautor do artigo da primeira detecção das ondas gravitacionais. Em trabalho anterior (mestrado) foi estudado o desenvolvimento de um sistema multipendular aninhado, chamado de ${''}$Multi-Nested Pendula${''}$ (MNP), para ser implementado como um estágio adicional ao sistema de isolamento vibracional das massas de teste de versões futuras do LIGO. Neste trabalho, o uso deste sistema é estudado, não só visando constituir um estágio de isolamento vibracional adicional para as massas de teste, mas para incumbir-se da tarefa de manter as massas de teste do LIGO Voyager resfriadas a 124K enquanto mantém um isolamento vibracional mínimo determinado pela intensidade do retro-espalhamento e recombinação de fótons no feixe principal. Por fim, será apresentada qual configuração possibilita a manutenção da temperatura dos espelhos a 124 K sem comprometer aquele isolamento vibracional mínimo e damos direções nas pesquisas que precisam ser feitas para transformar o MNP em um sistema de isolamento vibracional adicional para o LIGO Voyager e/ou para detectores interferométricos em geral.