Virgo est un instrument scientifique de grande taille situé près de Pise en Italie, conçu pour la détection d'ondes gravitationnelles. Il s'articule autour d'un interféromètre de Michelson, qui est capable de détecter dans ses bras de de minuscules variations de longueur induites par les passages d'ondes gravitationnelles. La précision requise est atteinte grâce à de nombreux systèmes qui l'isolent du monde extérieur, dont l'ultravide contenant ses miroirs et instruments ainsi que des systèmes de suspension complexes.

Entre ses observations périodiques, le détecteur est amélioré afin d'augmenter sa sensibilité. Ces périodes d'observation sont réalisées en collaboration avec des détecteurs similaires, dont les deux détecteurs américains LIGO (situés à Hanford et Livingston) et l'interféromètre japonais KAGRA (dans l'observatoire de Kamioka). Cette collaboration est cruciale pour la détection d'ondes gravitationnelles et la localisation de leurs origines.

Virgo a été conçu et construit à une époque où l'existence des ondes gravitationnelles était prévue comme une conséquence de la relativité générale. Le projet, nommé d'après l'amas de la Vierge ( en latin) est approuvé en 1992 et sa construction achevée en 2003. Après plusieurs années sans détection, Virgo est arrêté en 2011 afin de réaliser les améliorations du projet . En 2015 a lieu la première observation directe d'ondes gravitationnelles par les deux détecteurs LIGO, alors que Virgo est encore en cours d'amélioration. Virgo reprend les observations début , réalisant sa première détection le (avec les détecteurs LIGO), suivie trois jours après de l'évènement GW170817, qui reste en 2025 le seul à avoir également été détecté par des méthodes d’observation classiques (optique, rayons gamma, rayons X, ondes radios).

Virgo est hébergé par l'Observatoire gravitationnel européen (EGO), un consortium fondé par le Centre national de la recherche scientifique (CNRS) et l' (INFN). La collaboration Virgo, regroupant dans , s'occupe de son opération et de sa stratégie d'observation et d'amélioration. Les collaborations LIGO et Virgo partagent leurs données depuis 2007, rejointes par KAGRA en 2019, formant la collaboration LIGO-Virgo-KAGRA (LVK).

Organisation Le détecteur Virgo est hébergé par l'Observatoire gravitationnel européen (EGO), un consortium créé en par le CNRS français et l'INFN italien.. Ces deux organismes ont été par la suite rejoints par le Nikhef néerlandais, d'abord en tant qu'observateur en 2007 puis membre à part entière en 2021., et par les deux fondations belges (Flandre) et FNRS (Wallonie) en 2025.. Des institutions espagnoles et polonaises ont également rejoint le consortium en tant qu'observateurs en 2023.. EGO est responsable du site de Virgo et assure la mise en service, la maintenance, l'opération et les améliorations du détecteur. Par métonymie, le site du détecteur est parfois lui-même appelé EGO, et le consortium y a ses quartiers généraux. Un des buts d'EGO est également de promouvoir la recherche sur la gravitation en Europe.. Le budget d'EGO fluctue autour de d'euros par an, employant autour de ..

La collaboration Virgo rassemble tous les chercheurs travaillant sur les divers aspects du détecteur. En , elle comporte aux alentours de , répartis dans et .. Ce sont la France, l'Italie, les Pays-Bas, la Pologne, l'Espagne, la Belgique, l'Allemagne, la Hongrie, le Portugal, la Grèce, la Tchéquie, le Danemark, l'Irlande, Monaco, la Suisse, le Brésil, le Burkina Faso, la Chine, Israël, le Japon et la Corée du Sud..

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|alt=Carte de l'Europe montrant les pays contribuant à la collaboration Virgo

La collaboration Virgo fait partie de la collaboration plus large LIGO-Virgo-KAGRA (LVK), qui regroupe en plus les membres des autres grands détecteurs d'ondes gravitationnelles, principalement afin d'organiser l'analyse jointe des données, qui est cruciale pour la détection d'ondes gravitationnelles.. La collaboration LVK s'est formée en 2007. en tant que collaboration LIGO-Virgo, et s'est étendue en 2019 avec l'arrivée de KAGRA..

En France, un grand nombre de laboratoires sont impliqués dans la collaboration Virgo ; de nombreux ont rejoint la collaboration à la suite des premières observations. Six (tous en cotutelle du CNRS, au sein de l'IN2P3) étaient membres de la collaboration Virgo lors de la première détection en 2015. :

le laboratoire AstroParticule et Cosmologie (APC), situé sur le campus de l'université Paris-Diderot. Formée en 2008, cette équipe a travaillé sur la réalisation des télescopes d'adaptation de faisceau, ainsi que la recherche d'évènements. ; le laboratoire ARTEMIS de l'observatoire de la Côte d'Azur (OCA) à Nice. Créé en 1999, le groupe est responsable du système d'injection du laser, de développements théoriques sur les interféromètres et sur le développement des logiciels de contrôle. Il abrite également de nombreuses activités d'analyse de données, incluant des recherches de fond stochastiques ou d'évènements non-modélisés, sur les évènements multi-messagers ou sur les populations de sources astrophysiques.. ; le Laboratoire d'Annecy-le-Vieux de physique des particules (LAPP), situé sur le campus d'Annecy-le-Vieux de l'université Savoie-Mont-Blanc. Impliqué dès 1990, il a conçu et fabriqué les enceintes à vide accueillant les miroirs, travaillé sur les dispositifs de contrôle de l'interféromètre, et accueille une activité d'analyse de données, notamment sur la reconstruction du signal et sur la détection d'évènements. ; le Laboratoire de l'accélérateur linéaire (LAL), situé sur le campus d'Orsay de l'Université Paris-Sud. Aujourd'hui regroupé au sein de l'IJCLab, il fait partie des membres fondateurs de la collaboration, accueillant de nombreuses activités d'analyse de données allant de la caractérisation du détecteur à l'astronomie multi-messager, en passant par la détection de différents types d'évènements. Il est également impliqué dans l'utilisation des états comprimés, abritant la plateforme de test CALVA. ; le laboratoire des matériaux avancés (LMA), situé sur le campus de l'université Claude-Bernard-Lyon-I. Il est en particulier responsable de la fabrication des miroirs et autres grandes optiques de l'interféromètre. ; le laboratoire Kastler Brossel (LKB) de l'École Normale Supérieure. Le laboratoire est impliqué dans la réalisation du dispositif d'états comprimés, ainsi que sur le contrôle du bruit de pression de radiation..

Objectifs scientifiques

vignette|Simulation numérique de l'émission d'ondes gravitationnelles par un trou noir binaire.|alt=Infographie d'un trou noir binaire issue d'une simulation vignette|Exemple typique de « » (« gazouillis »), issu du signal GW170817. L'axe horizontal représente le temps et l'axe vertical la fréquence ; la façon dont la fréquence du signal augmente avec le temps est caractéristique d'une fusion d'étoiles binaires compactes, et la forme exacte du signal est déterminée par les masses des objets.|alt=Diagramme temps-fréquence représentant une onde gravitationnelle. Virgo est conçu pour la recherche d'ondes gravitationnelles émises par des sources astrophysiques à travers l'Univers, qui peuvent être classées en trois grandes familles. :

les sources transientes, qui correspondent aux objets détectables uniquement sur une courte durée. Les principales sources de cette catégorie sont les coalescences de binaires compactes (CBC), correspondant à des systèmes binaires de trous noirs (ou d'étoiles à neutrons) qui fusionnent, émettant un signal augmentant rapidement avec le rapprochement des deux objets et devenant détectables durant les derniers instants du processus. Les autres sources possibles d'ondes gravitationnelles de courte durée sont les supernovas, les instabilités dans des systèmes compacts, ou des sources plus exotiques comme les cordes cosmiques ; les sources continues, qui émettent un signal observable sur de longues durées. Les principaux candidats sont les étoiles à neutrons en rotation rapide (pulsars), qui pourraient émettre des ondes gravitationnelles si elles ne sont pas parfaitement sphériques (par exemple si elles présentent de minuscules « montagnes » à leur surface) ; un fond stochastique d'ondes gravitationnelles, qui est un type de signal généralement continu dont l'origine est étalée sur de larges régions du ciel plutôt qu'une source précise. Il pourrait être composé des signaux cumulés d'un grand nombre de sources individuelles des catégories ci-dessus, ou provenir des premiers instants de l'Univers.

La détection de ces sources par des ondes gravitationnelles fournit un nouveau moyen de les observer, apportant souvent des informations différentes des moyens plus classiques comme les télescopes, et permet de sonder les propriétés fondamentales de la gravité, comme la polarisation des ondes gravitationnelles., l'effet de lentille gravitationnelle. ou plus généralement à quel point les signaux observés sont correctement décrits par la relativité générale.. Elle fournit également un moyen de mesurer des paramètres cosmologiques comme la constante de Hubble..

Histoire Le projet Virgo a été approuvé en 1992 par le CNRS français et en 1993 par l'INFN italien. Les deux organismes signent un accord le pour la construction du détecteur. Celle-ci débute en 1996 sur le site de Cascina. près de Pise en Italie, et s'est achevée en 2003. Après plusieurs périodes de prise de données sans observer d'ondes gravitationnelles, l'interféromètre est mis hors service en 2011 afin de permettre une amélioration significative de sa sensibilité, à travers le projet Advanced Virgo. Il a repris les observations en 2017, réalisant rapidement ses premières détections aux côtés de LIGO..

Conception Bien que le concept d'ondes gravitationnelles ait été présenté par Einstein dès 1916., des projets sérieux pour les détecter ne sont apparus qu'à la fin des années 1960.. Les premiers, aujourd'hui connus sous le nom de barres de Weber (d'après leur inventeur Joseph Weber)., ont connu une certaine popularité mais n'ont jamais permis de réaliser une véritable détection. En revanche, ces premiers essais ont permis la formation de nombreux groupes dédiés aux ondes gravitationnelles..

L'idée d'un grand détecteur interférométrique a commencé à gagner en crédibilité au début des années 1980 et, en 1985, le projet Virgo est formulé par le chercheur italien Adalberto Giazotto et le Français Alain Brillet à la suite de leur rencontre à Rome. Une des idées clés qui sépare Virgo d'autres projets similaires est l'objectif d'observer des basses fréquences (autour de ), là où la plupart visent les hautes fréquences (). De nombreux chercheurs considèrent cet objectif comme inatteignable, et seules la France et l'Italie s'engagent dans le projet., qui est présenté pour la première fois en 1987.. Après l'approbation du CNRS et de l'INFN quelques années plus tard, la construction de l'interféromètre commence en 1996, avec pour objectif de commencer les observations autour de l'an 2000..

Le premier but de Virgo est alors la détection directe des ondes gravitationnelles. L'étude du pulsar binaire 1913+16 sur plus de a déjà conduit à une preuve indirecte de leur existence, menant au prix Nobel de physique pour ses découvreurs en 1993. En effet, la diminution de la période orbitale de ce système binaire est cohérente avec l'hypothèse que le système perd de l'énergie par l'émission d'ondes gravitationnelles.. Le nom du projet se réfère à l'amas de la Vierge ( signifiant « Vierge » en latin), un des amas de galaxies les plus proches ; il fait écho à la volonté du projet d'atteindre une sensibilité suffisante pour détecter des ondes gravitationnelles émises dans d'autres galaxies..

Détecteur Virgo initial