Camino óptico

Advanced Virgo es un interferómetro láser con dos brazos perpendiculares de 3 km de longitud. Este instrumento, en esta configuración, es idóneo para medir el minúsculo efecto que producen las ondas gravitacionales al atravesar el detector.

El cambio en la longitud del brazo causado por el paso de una onda gravitacional es proporcional a la longitud del propio brazo, así como a la amplitud de la onda. Esto significa que cuanto más largos son los brazos del detector, mayor es la señal que necesitamos medir y esto hace que la detección sea menos difícil.

Cavidades de Fabry-Perot

Como ya se ha mencionado, los brazos de Virgo tienen una longitud de 3 km, pero la luz láser que viaja por el interior de los brazos recorre una distancia mucho mayor antes de recombinarse en el divisor del haz. De hecho, en el interior de los brazos la luz se refleja de un extremo a otro del brazo 300 veces. Esto es posible gracias a la implementación de resonadores ópticos (llamados cavidades Fabry-Perot) a lo largo de cada brazo, e implica añadir un espejo adicional al principio de cada brazo, cerca del divisor de haz. Así, cada brazo tiene dos espejos: el espejo de entrada, cerca del inicio de la trayectoria del láser, y el espejo final, en el extremo opuesto del brazo.

Dado que el interferómetro funciona a «franja oscura«, la luz que es recombinada por el divisor de haz tras recorrer los brazos viaja de vuelta hacia la fuente láser. En lugar de bloquearse, esa luz se refleja de nuevo para que se reutilice en el interferómetro: esto se consigue gracias a un espejo adicional situado aguas abajo, entre el divisor de haces y la fuente láser. Este espejo se denomina Power Recycling (reciclador de potencia) y gracias a él la potencia de la luz se multiplica por 30. También «reciclamos» la señal de ondas gravitacionales: esto se hace añadiendo un espejo más después del divisor de haz, antes de detectar el patrón de interferencia. Este espejo se denomina espejo de Reciclaje de Señal. En conjunto, Advanced Virgo está diseñado para ser un interferómetro Michelson de doble reciclado.

La disposición óptica de Advanced Virgo comprende dos sistemas adicionales: el Limpiador del Modo de Entrada y la Reducción del Ruido Cuántico. El primero es necesario para mejorar la calidad del haz láser que circula por el interferómetro, en términos de estabilidad de apuntamiento del haz, forma espacial y pureza de frecuencia. El segundo es un complejo sistema para reducir los ruidos debidos a la naturaleza cuántica de la luz.

Inyección

En Advanced Virgo, la parte del detector que suministra el haz láser al interferómetro con la potencia, el tamaño y la estabilidad requeridos se denomina «inyección». Comprende todas las partes situadas entre la fuente láser infrarroja (longitud de onda de 1μm) y el núcleo del interferómetro, y garantiza que el haz láser de entrada tendrá todas las propiedades necesarias para controlar el interferómetro con un ruido muy bajo. Un elemento clave de la inyección es la cavidad óptica de 150 m de longitud, denominada Limpiador del Modo de Entrada: su finalidad es garantizar un haz láser bien definido y estable en posición y forma. Por último, antes de las cavidades de reciclaje, un telescopio ampliará el haz láser en un factor 20 para ajustarlo al tamaño de haz requerido en la parte central del detector. 

Cavidades de los brazos

Los dos resonadores ópticos situados a lo largo de los brazos perpendiculares (y denominados «cavidades de los brazos«) confieren a Virgo su característica forma de L y se encuentran entre los componentes más críticos del detector. Cada cavidad de brazo está formada por 2 espejos destacados, cada uno de 42 kg de masa, uno a la entrada, cerca del divisor de haces, y otro 3 km más allá que refleja toda la luz de vuelta hacia el divisor de haces. Las cavidades son resonadores ópticos en el sentido de que la luz entre los dos espejos se propaga en múltiples viajes de ida y vuelta, cada vez intensificando un poco más la señal gravitacional. Por ejemplo, en Virgo, la señal de las ondas gravitacionales se amplifica aproximadamente un factor 300 gracias a las cavidades de los brazos.

Para mejorar el rendimiento del interferómetro, la superficie de cada espejo se pule a nivel atómico, lo que reduce la cantidad de luz dispersa. El revestimiento de la superficie del espejo también es especial para reflejar toda la luz con una absorción muy limitada y sin inducir ninguna distorsión. A estos espejos se les ha llamado (impropiamente) la óptica perfecta. Gracias a la calidad de los espejos, la cantidad de luz láser que se pierde durante un viaje de ida y vuelta en la cavidad (por tanto, 6 km) es inferior al 0,01%.

Detección

En Advanced Virgo, la parte del detector encargada de extraer la señal codificada en la luz láser por la onda gravitacional se denomina «detección». También proporciona gran parte de las señales para controlar el interferómetro y mantenerlo en su punto de trabajo. Como para otras partes de Advanced Virgo, el control del ruido es fundamental, por lo que todos los componentes ópticos para la detección están aislados del movimiento del suelo mediante la suspensión de los bancos ópticos en los que se asientan: estos bancos están en vacío para evitar el polvo y el ruido acústico. A la salida del interferómetro, se utiliza un telescopio para reducir el tamaño del haz en un factor 40 y conseguir un tamaño de láser compatible con los fotorreceptores, llamados fotodiodos. Antes del fotodiodo final, donde se registra la señal de ondas gravitacionales, se inserta una cavidad óptica más pequeña, denominada «Limpiador del Modo de Salida». Esta cavidad filtra la luz para eliminar señales espurias y sólo transmite la luz láser que puede contener la señal de ondas gravitacionales.