Advanced Virgo
Advanced Virgo es un detector interferométrico de ondas gravitacionales ubicado en el Observatorio Europeo Gravitatorio (EGO, de sus siglas en inglés) cerca de Pisa, en Italia. Puede medir ondas gravitacionales en un rango amplio de frecuencias, desde 10 Hz a 10000 Hz. Por favor, visita esta página para conocer más sobre las fuentes astrofísicas a las que Virgo observa.
Advanced Virgo es un interferómetro láser con brazos perpendiculares de 3 km de longitud y espejos suspendidos. El camino óptico se muestra en la Figura 1. Esta es la configuración actualmente adoptada en Advanced Virgo, durante el tercer período de observación (denominado O3, con duración de 1 año desde abril de 2019 hasta abril de 2020) llevado a cabo de manera conjunta con los dos detectores Advanced LIGO en los EEUU y KAGRA en Japón.
Figura 1: Camino óptico de Advanced Virgo durante el tercer período de observación, O3 (2019-2020) (Créditos: La Colaboración Virgo)
El haz de una fuente láser de bajo ruido (longitud de onda de 1064nm, en el infrarrojo cercano) está filtrada geométricamente y ha reducido su amplitud y fluctuaciones en la orientación del haz mediante una cavidad triangular de 140 m de longitud (denominada Input Mode Cleaner); entonces, el haz resultante, de aproximadamente 25 W de potencia, es separado en dos partes iguales por un separador de haz del 50% (beam splitter, en inglés). Los dos haces emergentes se propagan a lo largo de los brazos de 3 km de longitud, se reflejan en los espejos situados al final de los brazos, y, al encontrarse de nuevo los haces, el patrón de interferencia resultante, sensible a las ondas gravitacionales, se registra por un fotodiodo. Para aumentar el desplazamiento de la fase observable con el patrón de interferencia, y por lo tanto la amplitud de la señal inducida por el paso de la onda gravitacional, se incrementa la longitud efectiva recorrida por los haces antes de que se recombinen: esto se consigue añadiendo cavidades ópticas resonantes Fabry Perot en los brazos, donde los haces viajan hacia delante y hacia atrás varias veces antes de interferir. Para tal fin, cada brazo tiene incorporado un espejo de entrada suspendido (la masa prueba de entrada, o «Input Test Mass» en inglés) y un espejo suspendido de salida (la masa prueba de salida, o «End Test Mass» en inglés). La finura de las cavidades de los brazos es de aproximadamente 450, lo que quiere decir que la longitud efectiva recorrida por los haces aumenta en un factor 290 con respecto a la longitud física de los brazos. Para elevar la potencia del láser que circula por los brazos, y por tanto reducir la incertidumbre en la contabilización del número de fotones, un espejo de Reciclaje de Potencia (PR, del inglés Power Recycling) se coloca antes del divisor del haz. El espejo PR envía de vuelta al interferómetro la luz que refleja y que de otra manera volvería hacia la fuente láser de entrada: se consigue un factor de reciclaje de potencia de aproximadamente 40. Para reducir el ruido cuántico de la contabilización del número de fotones, lo cual limita la sensibilidad a altas frecuencias, Advanced Virgo emplea la técnica de compresión: un estado de vacío del campo óptico cuidadosamente preparado, llamado vacío comprimido, se inyecta en el interferómetro desde un puerto de salida.
Más detalles sobre las tecnologías clave utilizadas para incrementar la sensibilidad de Advanced Virgo están descritas en esta página.
Advanced Virgo está siguiendo una secuencia de períodos de actualizaciones y observaciones, planeada en estrecha colaboración y coordinación con los dos detectores Advanced LIGO en EEUU y también en colaboración con el detector japonés KAGRA. Una versión actualizada de los planes de mejora y los períodos de observación de la red de detectores de Ondas Gravitacionales por todo el mundo se muestra en la Figura 2.
Figure 2: Tabla resumen de la planificación actual de la red global de detectores de ondas gravitacionales correspondiente a los períodos de observación presentes y futuros. Tabla de: https://arxiv.org/abs/1304.0670
Advanced Virgo se unió a los detectores Advanced LIGO durante el segundo período de observación, denominado O2, en agosto de 2017. Con respecto al diseño mostrado en la Figura 1, la técnica de compresión no fue utilizada durante O2; además, durante O2 la potencia del láser fue más baja y los espejos de las cavidades de Fabry Perot estaban suspendidos por cables metálicos.
La siguiente mejora de Advanced Virgo recibe el nombre de Advanced Virgo Plus (AdV+): se ejecutará en dos fases denominadas Fase I y Fase II. La instalación de la Fase I de AdV+ tendrá lugar entre los períodos de observación O3 y O4, mientras que la instalación de la Fase II de AdV+ se llevará a cabo entre los períodos de observación O4 y O5.
Entre otras varias mejoras de la Fase I de Advanced Virgo Plus se prevé la instalación de un espejo de Reciclaje de la Señal para implementar una técnica que aumente la sensibilidad en el rango de frecuencias medio-altas; los espejos SR suspendidos reemplazarán las lentes SR mostradas en la Figura 1. La técnica de compresión también se mejorará con la incorporación de una cavidad de filtro Fabry Perot de 300 m de longitud que el estado de vacío cuántico atravesará antes de ser inyectado al interferómetro: esto permitirá mejorar la sensibilidad no sólo a altas frecuencias superando el ruido cuántico de la contabilización del número de fotones, sino también a frecuencias bajas superando el ruido cuántico procedente de la presión ejercida sobre los espejos por la radiación incidente del láser.
La sensibilidad de un detector de ondas gravitacionales se indica a menudo en términos del rango BNS, que es la distancia a la cual la fusión de un sistema binario de estrellas de neutrones (BNS, del inglés) proporciona una relación señal-ruido (SNR, del inglés) con técnicas de filtrado por coincidencia de 8; la distancia está promediada sobre todas las posibles localizaciones en el cielo y orientaciones del sistema binario. Cada estrella de neutrones en el sistema binario se asume que tiene una masa igual a 1.4 masas solares. El rango BNS se da en unidades de megaparsecs (Mpc): un parsec es igual a 3.26 años-luz. Durante O2 el rango BNS de Advanced Virgo ha sido de alrededor de 25 Mpc; durante O3 será aproximadamente de 50Mpc (ver el valor actual en las últimas 24 horas aquí) y se planea que aumente hasta más allá de 200 Mpc en O5 cuando la configuración final del detector alcance la Fase II de AdV+.
