Disposição ótica

O Advanced Virgo é um interferômetro laser com dois braços perpendiculares de 3 km de comprimento. Este instrumento, nesta configuração, é ideal para medir o minúsculo efeito produzido pelas ondas gravitacionais quando estas passam pelo detetor.

A alteração do comprimento do braço provocada pela passagem de uma onda gravitacional é proporcional ao comprimento do próprio braço, bem como à amplitude da onda. Isto significa que quanto mais compridos forem os braços do detector, maior é o sinal que temos de medir, o que torna a detecção menos difícil.

Cavidades Fabry-Perot

Como já foi referido, os braços de Virgo têm 3 km de comprimento, mas a luz laser que viaja dentro dos braços percorre uma distância muito maior antes de se recombinar no divisor de feixe. De fato, no interior dos braços, a luz é refletida para trás e para a frente, de uma ponta à outra do braço, 300 vezes. Isto é possível graças à implementação de ressonadores óticos (chamados cavidades Fabry-Perot) ao longo de cada braço, e envolve a adição de um espelho extra no início de cada braço, perto do divisor de feixe. Assim, cada braço tem dois espelhos: o espelho de entrada, perto do início do trajeto do laser, e o espelho final, na extremidade oposta do braço.

Uma vez que o interferômetro funciona em “franja escura”, a luz que é recombinada pelo divisor de feixe depois de percorrer os braços viaja de volta para a fonte laser. Em vez de ser bloqueada, essa luz é refletida de modo a ser reutilizada no interferómetro: isto é feito graças a um espelho adicional colocado a jusante entre o divisor de feixe e a fonte laser. Este espelho é designado Reaproveitador de Potência e graças a ele a potência da luz é aumentada por um fator 30. Também “reciclamos” o sinal das ondas gravitacionais: isto é feito adicionando mais um espelho após o divisor de feixe, antes de detectar o padrão de interferência. Este espelho é designado por espelho de reciclagem do sinal. Globalmente, o Advanced Virgo foi concebido para ser um interferômetro de Michelson de duplo reaproveitamento.

O esquema ótico do Advanced Virgo inclui dois sistemas adicionais: o Limpador do Modo de Entrada e a Redução do Ruído Quântico. O primeiro é necessário para melhorar a qualidade do feixe laser que circula no interferômetro, em termos de estabilidade de apontamento do feixe, forma espacial e pureza de frequência. O segundo é um sistema complexo para reduzir os ruídos devidos à natureza quântica da luz.

Injeção

No Advanced Virgo, a parte do detector que fornece o feixe laser ao interferômetro com a potência, dimensão e estabilidade necessárias é designada por “injeção”. Compreende todas as partes entre a fonte de laser infravermelho (comprimento de onda de 1μm) e o núcleo do interferômetro e assegura que o feixe de laser de entrada terá todas as propriedades corretas necessárias para controlar o interferômetro com um ruído muito baixo. Um elemento-chave da injeção é a cavidade ótica de 150 m de comprimento, designada por Limpador do Modo de Entrada: o seu objetivo é garantir um feixe laser bem definido e estável em termos de posição e forma. Finalmente, antes das cavidades de reaproveitamento, um telescópio alargará o feixe laser por um fator de 20 para corresponder à dimensão necessária do feixe na parte central do detetor.

Cavidades dos braços

Os dois ressonadores óticos que se encontram ao longo dos braços perpendiculares (e designados por “cavidades dos braços”) conferem ao interferômetro Virgo a sua caraterística forma de L e estão entre os componentes mais críticos do detector. Cada cavidade do braço é formada por 2 espelhos pendentes, cada um com 42 kg de massa, um na entrada, perto do divisor de feixe, e outro a 3 km de distância, que reflete toda a luz de volta para o divisor de feixe. As cavidades são ressonadores óticos, no sentido em que a luz entre os dois espelhos se propaga em múltiplas viagens de ida e volta, aumentando cada vez um pouco mais o sinal gravitacional. Por exemplo, em Virgo, o sinal das ondas gravitacionais é amplificado por um fator de cerca de 300 graças às cavidades nos braços.

Para melhorar o desempenho do interferômetro, a superfície de cada espelho é polida a nível atômico, reduzindo a quantidade de luz dispersa. O revestimento da superfície do espelho é também especial para refletir toda a luz com uma absorção muito limitada e sem induzir qualquer distorção. Estes espelhos foram (incorretamente) designados por ótica perfeita. Graças à qualidade dos espelhos, a quantidade de luz laser perdida durante uma viagem de ida e volta na cavidade (ou seja, 6 km) é inferior a 0,01%.

Detecção

No Advanced Virgo, a parte do detector que é responsável por extrair o sinal codificado na luz laser pela onda gravitacional é designada por “detecção”. Ela também fornece uma grande parte dos sinais para controlar o interferômetro e mantê-lo no seu ponto de funcionamento. Tal como para outras partes do Advanced Virgo, o controle do ruído é fundamental, por isso todos os componentes óticos para a detecção estão isolados do movimento do solo através da suspensão das bancadas óticas onde se encontram: estas bancadas estão alojadas no vácuo para evitar poeiras e ruído acústico. Na saída do interferômetro, é utilizado um telescópio para reduzir a dimensão do feixe por um fator 40, de modo a obter um laser de dimensão compatível com os fotorreceptores, designados por fotodiodos. Uma cavidade ótica menor, designada por “Limpador do Modo de Saída”, é inserida antes do fotodiodo final, onde o sinal das ondas gravitacionais é registado. Esta cavidade filtra a luz para remover os sinais espúrios e transmitir apenas a luz laser que pode conter o sinal das ondas gravitacionais.