Rivelatore

Virgo è un interferometro laser con due bracci perpendicolari, ciascuno lungo 3 km. È ospitato presso l’Osservatorio Gravitazionale Europeo (EGO), nella campagna vicino a Pisa, in Italia. Il suo scopo è rivelare le onde gravitazionali provenienti da sorgenti astrofisiche.

All’interno di Virgo, il fascio di luce prodotto da un laser viene diviso in due da uno specchio semi-riflettente, noto come “beam splitter” (separatrice di fascio). I due fasci risultanti viaggiano lungo percorsi perpendicolari: i “bracci”. Uno specchio posto all’estremità di ciascuno dei bracci lunghi 3 km riflette la luce indietro, così che i due fasci ritornino al beam splitter. Quando passano di nuovo attraverso il beam splitter, i due fasci si sovrappongono e interferiscono tra loro.

La frangia oscura

Questa “figura di interferenza” cambia a seconda della differenza nel tempo impiegato dai fasci laser per percorrere i due bracci. Quando non c’è alcun segnale di onda gravitazionale, i due fasci dovrebbero impiegare lo stesso tempo per attraversare i due bracci uguali. In questo caso, si ricombinano in modo distruttivo all’uscita del rivelatore, annullandosi a vicenda, e quindi nessuna luce raggiunge il fotorivelatore all’uscita dell’interferometro. Questo punto di lavoro è chiamato “frangia oscura”.

L’effetto di un’onda gravitazionale

Quando un’onda gravitazionale attraversa il rivelatore, modifica alternativamente la lunghezza di un braccio diversamente da quella dell’altro di una quantità infinitesimale (circa un millesimo del diametro di un protone). Di conseguenza, la luce impiega tempi diversi per percorrere i due bracci. In questo caso, quando i due fasci si ricombinano, non si annullano più completamente e una piccola quantità di luce, proporzionale allo spostamento causato dal passaggio dell’onda gravitazionale, diventa rivelabile dal fotorivelatore in uscita.

Più lunghi sono i bracci del rivelatore, maggiore è la variazione della loro lunghezza dovuta al passaggio di un’onda gravitazionale. Questo è il motivo per cui i bracci di Virgo sono così lunghi: tre chilometri.
Ovviamente, mettere in pratica questo principio operativo con uno strumento reale è estremamente complesso e presenta numerose sfide scientifiche e tecnologiche. Due delle sfide più complesse riguardano l’aumento dell’intensità del segnale di onda gravitazionale e la riduzione del rumore di fondo in cui esso è nascosto.