Advanced Virgo

Advanced Virgo è un rivelatore interferometrico di onde gravitazionali ospitato dall’European Gravitational Observatory (EGO) a Cascina, vicino a Pisa. Può misurare onde gravitazionali in un ampio intervallo di frequenze, da 10 Hz a 10000 Hz. Per conoscere le sorgenti che Virgo osserva si consiglia di visitare questa pagina.

Advanced Virgo è un interferometro laser con bracci perpendicolari, lunghi 3 km, e specchi sospesi. Lo schema ottico è mostrato in Figura 1. Questa è la configurazione attualmente adottata, durante il terzo periodo osservativo (denominato O3, della durata di 1 anno da Aprile 2019 a Aprile 2020) condotto assieme ai due rivelatori Advanced LIGO negli USA e a KAGRA in Giappone.

schema ottico di Advanced Virgo in O3 with indicazione della sorgente Laser, l'Input Mode Cleaner, lo specchio di Power Recycling, il Beam Splitter, le cavità dei bracci lunghe 3 km in configurazione a L con le masse sospese di ingresso e finali, la lente SR, l'iniezione dello stato squeezato di vuoto, il fotodiodo per la rivelazioneFigura 1: Schema ottico di Advanced Virgo durante il terzo periodo osservativo O3 (2019-2020)(Credits: The Virgo Collaboration)

Il fascio prodotto da una sorgente laser a basso rumore (lunghezza d’onda 1064 nm, nel vicino infrarosso) è filtrato geometricamente e ha le fluttuazioni in ampiezza e in puntamento ulteriormente ridotte da una cavità triangolare lunga 140 m (chiamata in inglese Input Mode Cleaner); il fascio risultante di circa 25 W in potenza viene diviso in due parti uguali da un divisore di fascio al 50% (in inglese 50% beam splitter). I due fasci risultanti percorrono i bracci lunghi 3 km e vengono riflessi dagli specchi finali; la figura di interferenza risultante, sensibile alle onde gravitazionali, viene misurata da un fotodiodo (in inglese photodiode). Per aumentare la differenza di fase osservabile dalla figura di interferenza, e quindi l’ampiezza del segnale indotto dal passaggio di un’onda gravitazionale, viene aumentata la lunghezza efficace percorsa dai fasci prima che essi vengano ricombinati: si ottiene questo inserendo cavità ottiche risonanti Fabry-Perot nei bracci, nelle quali i fasci viaggiano in avanti e indietro diverse volte prima di interferire. A tal fine, in ciascun braccio vi è uno specchio sospeso di ingresso (in inglese suspended Input Test Mass) e uno specchio sospeso finale (in inglese suspended End Test Mass). La Finesse, o Finezza, delle cavità dei bracci è circa 450, il che significa che la lunghezza effettiva percorsa dai fasci è aumentata di un fattore 290 rispetto alla lunghezza fisica dei bracci. Per aumentare la potenza laser che circola nei bracci,e quindi ridurre l’errore nel conteggio dei fotoni, viene posto uno specchio di riciclaggio della potenza (in inglese Power Recycling mirror, PR) prima del divisore di fascio. Lo specchio PR rimanda indietro verso l’interferometro la luce che quest’ultimo riflette e che altrimenti tornerebbe verso la sorgente laser all’inizio: il fattore di riciclaggio della potenza è circa 40. Per ridurre il rumore quantistico di conteggio dei fotoni, che limita la sensibilità alle alte frequenze, Advanced Virgo fa uso della tecnologia di squeezing: uno stato di vuoto del campo elettromagnetico accuratamente preparato, uno stato di vuoto detto squeezato (in inglese squeezed vacuum), viene iniettato nell’interferometro dalla porta di uscita.

Maggiori dettagli sulle tecnologie principali usate per aumentare la sensibilità di Advanced Virgo sono descritti in questa pagina.

Advanced Virgo segue un programma di periodi di miglioramenti e di osservazioni, pianificato in stretta collaborazione e coordinazione con i due rivelatori Advanced LIGO negli USA e anche in collaborazione con il rivelatore KAGRA in Giappone. Una versione aggiornata del programma di periodi di miglioramenti e periodi osservativi della rete globale di rivelatori di onde gravitazionali è mostrata in Figura 2.

Tabella che riassume l’attuale programma della rete globale di rivelatori di onde gravitazionali per il presente e per i futuri periodi osservativi. Tabella da:https://arxiv.org/abs/1304.0670

Advanced Virgo si è unito ai rivelatori Advanced LIGO per il secondo periodo osservativo, denominato O2, nell’agosto 2017. Rispetto allo schema mostrato in Figura 1, durante O2 la tecnica di squeezing non era ancora impiegata; inoltre durante O2 la potenza laser era inferiore e gli specchi delle cavità Fabry-Perot erano sospesi con fili metallici.

Il prossimo miglioramento di Advanced Virgo si chiama Advanced Virgo Plus (in breve AdV+): sarà realizzato in due fasi, chiamate Phase I e Phase II. L’installazione di AdV+ Phase I sarà fatta a cavallo tra i perdiodi osservativi O3 e O4, mentre l’installazione di AdV+ Phase II avverrà tra i periodi osservativi O4 e O5.

Oltre a diversi altri miglioramenti, la Phase I di Advanced Virgo Plus prevede l’installazione dello specchio di riciclaggio del segnale (in inglese Signal Recycling, SR) per realizzare una tecnica che aumenterà la sensibilità nella zona di frequenze medio-alte; lo specchio sospeso di SR sostituirà la lente SR mostrata in Figura 1. Anche la tecnica di squeezing verrà migliorata grazia all’aggiunta di una cavità Fabry-Perot di filtraggio (in inglese Filter cavity), lunga 300 m, che lo stato di vuoto percorrerà prima di essere iniettato nell’interferometro: ciò permetterà di aumentare la sensibilità non solo ad alte frequenze battendo il rumore quantistico di conteggio dei fotoni, ma anche a basse frequenze battendo il rumore quantistico dovuto alla pressione esercitata sugli specchi dalla radiazione laser incidente.

La sensibilità di un rivelatore di onde gravitazionali è spesso data in termini della distanza alla quale la fusione di un sistema binario di stelle di neutroni è rivelata con un rapporto segnale rumore di 8 da un filtro adattato; la distanza è mediata su tutte le possibili direzioni di provenienza nel cielo e orientazioni del sistema binario. Si assume che ciascuna stella di neutroni nel sistema binario abbia massa pari a 1.4 volte il Sole. In inglese questa distanza si indica come BNS range (da Binary Neutron Star). Il BNS range è dato in unità di megaparsec (Mpc): un parsec è pari a 3.26 anni luce. Durante O2 il BNS range di Advanced Virgo era di circa 25 Mpc; durante O3 è di circa 50 Mpc (per il valore nelle ultime 24 ore vedere a questo link) e ci si aspetta che aumenti fino a oltre 200 Mpc in O5 quando Advanced Virgo raggiungerà la configurazione finale con la Phase II di Advanced Virgo Plus.

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