Schema ottico

Advanced Virgo è un interferometro laser con due bracci perpendicolari di 3 km ciascuno. Questo strumento, in questa configurazione, è ideale per misurare il minuscolo effetto prodotto dalle onde gravitazionali quando attraversano il rivelatore.

La variazione della lunghezza dei bracci causata dal passaggio di un’onda gravitazionale è proporzionale alla lunghezza del braccio stesso e all’ampiezza dell’onda. Ciò significa che più lunghi sono i bracci del rivelatore, maggiore sarà il segnale da misurare, rendendo la rivelazione meno difficile.

Cavità di Fabry-Perot

Come accennato, i bracci di Virgo sono lunghi 3 km, ma la luce laser che viaggia all’interno percorre una distanza molto maggiore prima di ricombinarsi al beam splitter. Infatti, all’interno dei bracci la luce viene riflessa avanti e indietro 300 volte. Ciò è possibile grazie all’implementazione di risonatori ottici (detti cavità di Fabry-Perot) lungo ciascun braccio, che prevedono l’aggiunta di uno specchio in più all’inizio di ogni braccio, vicino al beam splitter. Così ogni braccio ha due specchi: lo specchio di ingresso, vicino all’inizio del percorso del laser, e lo specchio finale, all’estremità opposta del braccio.

Poiché l’interferometro opera in “frangia oscura”, la luce che viene ricombinata dal beam splitter dopo aver viaggiato lungo i bracci ritorna verso la sorgente laser. Invece di essere bloccata, questa luce viene riflessa indietro e riutilizzata nell’interferometro grazie a uno specchio aggiuntivo posto tra il beam splitter e la sorgente laser. Questo specchio è chiamato Power Recycling e grazie ad esso la potenza della luce viene aumentata di un fattore 30. Anche il segnale dell’onda gravitazionale viene “riciclato” aggiungendo un ulteriore specchio dopo il beam splitter, prima di rivelare il pattern di interferenza. Questo specchio è chiamato Signal Recycling. Complessivamente, Advanced Virgo è progettato per essere un interferometro Michelson a doppio riciclo.

Lo schema ottico di Advanced Virgo comprende due sistemi aggiuntivi: l’Input Mode Cleaner e la Quantum Noise Reduction. Il primo serve a migliorare la qualità del fascio laser che circola nell’interferometro, in termini di stabilità della direzione del fascio, forma spaziale e purezza di frequenza. Il secondo è un sistema complesso per ridurre i rumori dovuti alla natura quantistica della luce.

Iniezione

In Advanced Virgo, la parte del rivelatore che fornisce il fascio laser all’interferometro con la potenza, dimensione e stabilità richieste è chiamata “iniezione”. Comprende tutte le parti tra la sorgente laser a infrarossi (lunghezza d’onda di 1 μm) e il nucleo dell’interferometro, assicurando che il fascio laser in ingresso abbia tutte le caratteristiche necessarie per controllare l’interferometro con un rumore molto basso.
Un elemento chiave dell’iniezione è la cavità ottica lunga 150 m chiamata Input Mode Cleaner: il suo scopo è garantire un fascio laser ben definito e stabile in posizione e forma. Infine, prima delle cavità di riciclo, un telescopio ingrandisce il fascio laser di un fattore 20 per adattarlo alle dimensioni richieste nella parte centrale del rivelatore.

Cavità dei bracci

I due risonatori ottici situati lungo i bracci perpendicolari (chiamati “cavità dei bracci”) conferiscono a Virgo la sua caratteristica forma a L e sono tra i componenti più essenziali del rivelatore. Ogni cavità del braccio è formata da due specchi eccezionali, ciascuno con una massa di 42 kg: uno all’ingresso, vicino al beam splitter, e uno a 3 km di distanza, che riflette tutta la luce indietro verso il beam splitter. Le cavità sono risonatori ottici nel senso che la luce tra i due specchi compie molteplici viaggi avanti e indietro, amplificando progressivamente il segnale dell’onda gravitazionale. Ad esempio, in Virgo, grazie alle cavità nei bracci, il segnale dell’onda gravitazionale viene amplificato di circa un fattore 300.

Per migliorare le prestazioni dell’interferometro, la superficie di ciascuno specchio viene lucidata a livello atomico, riducendo al minimo la luce diffusa. Inoltre, il rivestimento sulla superficie dello specchio è stato appositamente progettato per riflettere tutta la luce con un ‘assorbimento minimo e senza introdurre distorsioni. Questi specchi sono stati (impropriamente) definiti “ottiche perfette”. Grazie alla qualità degli specchi, la quantità di luce laser persa durante un ciclo completo nella cavità (cioè 6 km) è inferiore allo 0,01%.

Rivelazione

In Advanced Virgo, la parte del rivelatore responsabile dell’estrazione del segnale codificato sulla luce laser dall’onda gravitazionale è chiamata “rivelazione”. Essa fornisce gran parte dei segnali necessari per controllare l’interferometro e mantenerlo nel suo punto operativo. Come per altre parti di Advanced Virgo, il controllo del rumore è fondamentale, quindi tutte le componenti ottiche dedicate alla rivelazione sono isolate dal movimento del suolo tramite la sospensione dei banchi ottici su cui si trovano, inoltre questi banchi sono in condizioni di vuoto per evitare la polvere e il rumore acustico.
All’uscita dell’interferometro, un telescopio viene utilizzato per ridurre le dimensioni del fascio di un fattore 40, in modo da ottenere un fascio laser compatibile con i fotorivelatori, chiamati fotodiodi. Prima del fotodiodo finale, dove viene registrato il segnale dell’onda gravitazionale, è inserita una piccola cavità ottica chiamata “Output Mode Cleaner”. Questa cavità filtra la luce per rimuovere segnali spuri e trasmettere solo la luce laser che potrebbe contenere il segnale dell’onda gravitazionale.