O interferômetro Virgo é um instrumento científico de grande escala próximo a Pisa, Itália, projetado para detectar ondas gravitacionais. O detector é um interferômetro de Michelson, capaz de detectar as minúsculas variações de comprimento em seus dois braços de 3km induzidas pela passagem das ondas gravitacionais. A precisão necessária é alcançada por meio de diversos sistemas que o isolam do mundo exterior, incluindo manter seus espelhos e instrumentação em vácuo ultra-alto e suspensos por sistemas complexos de pêndulos.
Entre os períodos de observação, o detector é aprimorado para aumentar sua sensibilidade. As campanhas de observação são realizadas em colaboração com outros detectores similares, incluindo os dois Observatórios de Ondas Gravitacionais por Interferômetro Laser (LIGO) nos Estados Unidos e o Detector de Ondas Gravitacionais Kamioka, no Japão (KAGRA), pois a cooperação entre vários detectores é essencial para detectar ondas gravitacionais e localizar sua origem.
O Virgo foi concebido e construído quando as ondas gravitacionais eram apenas uma previsão da relatividade geral. O projeto, nomeado em homenagem ao aglomerado de galáxias de Virgem, foi aprovado em 1992 e teve sua construção concluída em 2003. Após vários anos sem detecções, o Virgo foi desligado em 2011 para receber atualizações no projeto Advanced Virgo. Em 2015, a primeira observação de ondas gravitacionais foi feita pelos dois detectores LIGO, enquanto o Virgo ainda estava em atualização. O Virgo retomou as observações no início de agosto de 2017, realizando sua primeira detecção em 14 de agosto (junto com os detectores LIGO); isso foi rapidamente seguido pela detecção da onda gravitacional GW170817, a única também observada com métodos clássicos (ópticos, raios gama, raios X e rádio) até 2024.
O Virgo é hospedado pelo Observatório Gravitacional Europeu (EGO), um consórcio fundado pelo Centro Nacional de Pesquisa Científica (CNRS) da França e pelo Instituto Nacional de Física Nuclear (INFN) da Itália. A Colaboração Virgo mais ampla, reunindo 940 membros de 20 países, opera o detector, e define a estratégia e a política para seu uso e atualizações. As colaborações LIGO e Virgo compartilham seus dados desde 2007, e com o KAGRA desde 2019, formando a colaboração LIGO-Virgo-KAGRA (LVK).
Organização O interferômetro Virgo é administrado pelo consórcio Observatório Gravitacional Europeu (EGO), criado em dezembro de 2000 pelo Centro Nacional de Pesquisa Científica (CNRS) e pelo Instituto Nacional de Física Nuclear (INFN). O Nikhef, o Instituto Holandês de Física Nuclear e de Altas Energias, mais tarde juntou-se como observador e tornou-se membro pleno em 2021. Instituições da Polônia, Espanha e Bélgica aderiram ao EGO como observadores em 2023, com a FWO belga e o FNRS tornando-se membros plenos em 2025. O EGO é responsável pelo local do Virgo e assegura seu comissionamento, manutenção, operação e atualizações. Por metonímia, o próprio local às vezes é chamado de EGO, pois o consórcio está sediado lá. Um dos objetivos do EGO é promover a pesquisa sobre gravidade na Europa. Entre 2018 e 2024, o orçamento do EGO variou entre 9 e 11,5 milhões de euros por ano, empregando cerca de 60 pessoas.
A Colaboração Virgo consiste em todos os pesquisadores que trabalham em vários aspectos do detector. Cerca de 940 membros, representando 165 instituições em 20 países, faziam parte da Colaboração Isso inclui instituições na França, Itália, Países Baixos, Polônia, Espanha, Bélgica, Alemanha, Hungria, Portugal, Grécia, Tchéquia, Dinamarca, Irlanda, Mônaco, Suíça, Brasil, Burkina Faso, China, Israel, Japão e Coreia do Sul. miniaturadaimagem| A Colaboração Virgo faz parte da grande Colaboração LIGO-Virgo-KAGRA (LVK), que reúne cientistas dos principais experimentos de ondas gravitacionais para analisar os dados conjuntamente; isso é crucial para a detecção de ondas gravitacionais. A LVK começou em 2007 como a Colaboração LIGO-Virgo, e foi expandida quando o KAGRA se juntou em 2019.
Aplicações Científicas alt=Uma imagem colorida|miniaturadaimagem|Simulação computacional de ondas gravitacionais emitidas pelo decaimento orbital e fusão de dois buracos negros. alt=Representação visual de um sinal que aumenta em frequência|miniaturadaimagem|Típico "chilreio" de um sinal de onda gravitacional do evento GW170817. O eixo x representa o tempo, e o eixo y representa a frequência. O aumento da frequência ao longo do tempo é típico de ondas gravitacionais de um objeto compacto binário, e sua forma é determinada principalmente pela massa dos objetos no par. O Virgo foi projetado para buscar ondas gravitacionais emitidas por fontes astrofísicas em todo o universo, que podem ser classificadas em três tipos:
Fontes transitórias, que são objetos detectáveis apenas por um curto período. As principais fontes nesta categoria são coalescências compactas binárias (CBC) de buracos negros binários (ou estrelas de nêutrons) em fusão, emitindo um sinal que cresce rapidamente e que só se torna detectável nos últimos segundos antes da fusão. Outras possíveis fontes de ondas gravitacionais de curta duração são supernovas, instabilidades em objetos astrofísicos compactos ou fontes exóticas como cordas cósmicas. Fontes contínuas, que emitem um sinal observável por um longo período de tempo. Os principais candidatos são estrelas de nêutrons de rotação rápida (pulsares), que podem emitir ondas gravitacionais se não forem perfeitamente esféricas (por exemplo, se houver pequenas “montanhas” em sua superfície). Fundos estocásticos, um tipo de sinal geralmente contínuo e difundido por grandes regiões do céu, em vez de vir de uma única fonte. Pode ser composto por um grande número de fontes indistinguíveis das categorias acima ou se originar nos primeiros momentos do universo.
A detecção de ondas gravitacionais dessas fontes é uma nova maneira de observá-las (frequentemente trazendo informações diferentes dos métodos clássicos, como telescópios) e de investigar propriedades fundamentais da gravidade, como a polarização das ondas gravitacionais, possíveis efeitos de lente gravitacional, ou a verificação de que os sinais observados estão corretamente descritos pela relatividade geral. A detecção de ondas gravitacionais também oferece uma forma de medir a constante de Hubble.
História O projeto Virgo foi aprovado em 1992 pelo CRNS, da França, e, em 1993, recebeu aprovação do INFN, da Itália. A construção do interferômetro iniciou-se em 1996, na localidade de Santo Stefano a Macerata, em Cascina, próxima à cidade de Pisa, na Itália, sendo concluída em 2003. Após a realização de diversas campanhas de observação sem a detecção de ondas gravitacionais, o sistema foi desativado em 2011 para uma série de atualizações, no âmbito do projeto Advanced Virgo. As operações científicas foram retomadas em 2017, e, pouco tempo depois, ocorreram as primeiras detecções de ondas gravitacionais, realizadas em colaboração com os detectores do LIGO.
Concepção A existência das ondas gravitacionais foi prevista por Albert Einstein em 1916, como uma consequência da Teoria da Relatividade Geral. No entanto, os primeiros esforços experimentais para a detecção direta dessas ondas só começaram no final da década de 1960. O pioneiro nesse campo foi Joseph Weber, com o desenvolvimento dos primeiros detectores conhecidos como barras de Weber. Embora esses dispositivos fossem teoricamente capazes de detectar ondas gravitacionais, nenhum experimento com tal tecnologia obteve sucesso. Ainda assim, esses esforços iniciais desempenharam um papel fundamental ao estimular a formação de grupos de pesquisa dedicados ao estudo das ondas gravitacionais.
A proposta de utilização de grandes interferômetros como detectores começou a ganhar aceitação científica no início da década de 1980. Nesse contexto, o projeto Virgo foi concebido em 1985, a partir da colaboração entre o físico italiano Adalberto Giazotto e o físico francês Alain Brillet, após um encontro em Roma. Um dos principais diferenciais do projeto Virgo, em relação a outras iniciativas da época, era seu foco na detecção de ondas gravitacionais em baixas frequências (em torno de 10 Hz), enquanto a maioria dos projetos então existentes concentrava-se em faixas de altas frequências (cerca de 500 Hz). Naquele período, a possibilidade de observações em baixas frequências era amplamente questionada pela comunidade científica. Ainda assim, França e Itália seguiram com o desenvolvimento do projeto, que foi oficialmente proposto em 1987. O nome Virgo foi adotado logo em seguida, fazendo referência ao aglomerado de galáxias de mesmo nome, simbolizando o objetivo do projeto de detectar ondas gravitacionais provenientes de fontes extragalácticas. Após a aprovação oficial pelo CNRS e INFN, a construção do interferômetro foi iniciada em 1996, com a meta de começar as observações em 2000.
O objetivo primário do projeto Virgo era a detecção direta das ondas gravitacionais, cuja existência já havia sido evidenciada de forma indireta pelo estudo de três décadas do pulsar binário PSR 1913+16. Nesse pulsar binário, o decréscimo observado no período orbital estava em conformidade com a hipótese de perda de energia por emissão de ondas gravitacionais.
Detector Virgo em sua fase inicial O interferômetro Virgo foi construído, comissionado e operado pela primeira vez ao longo da década de 2000, atingindo a sensibilidade projetada para essa fase inicial. Esses resultados validaram as escolhas de design e demonstraram o potencial dos interferômetros de grande escala como instrumentos promissores para a detecção de ondas gravitacionais em uma ampla faixa de frequências. Esta etapa do projeto é frequentemente referida como "Virgo Inicial" ou "Virgo Original".
A construção do detector foi concluída em junho de 2003. Entre os anos de 2007 e 2011, foram realizados diversos períodos de coleta de dados científicos, após quatro anos de comissionamento. Algumas dessas campanhas foram conduzidas de forma coordenada com os dois detectores do LIGO, localizados em Hanford (Washington) e Livingston (Louisiana), nos Estados Unidos. Em 2010, o sistema foi temporariamente desativado para a realização de melhorias na suspensão dos espelhos. Os cabos de aço originalmente utilizados foram substituídos por fibras de vidro, com o objetivo de reduzir os ruídos térmicos. Apesar da significativa melhoria na qualidade do sistema e da realização de novos períodos de coleta de dados com a configuração aprimorada, não foram observadas ondas gravitacionais durante essa fase. Em setembro de 2011, o detector foi desativado para dar início à instalção do Advanced Virgo.
Detector Virgo Avançado
O projeto Advanced Virgo foi desenvolvido com o objetivo principal de aumentar a sensibilidade (e a distância a que um sinal pode ser detetado) por um fator de 10, permitindo a ampliação do volume observável do universo por um fator de mil e tornando mais provável a detecção de ondas gravitacionais. O aprimoramento do sistema foi viabilizado tanto pela experiência adquirida com o Virgo Inicial quanto pelos avanços tecnológicos.
Embora a infraestrutura de vácuo do interferômetro tenha sido mantida, o resto do interferômetro foi modernizado. Quatro bombas criogênicas adicionais foram instaladas nas extremidades de cada braço para capturar partículas residuais provenientes das torres dos espelhos. Os espelhos principais passaram a ter uma maior dimensão, com um diâmetro de 35 cm e massa de 40 kg, e o seu desempenho óptico foi aprimorado. Os elementos ópticos utilizados para controle do interferômetro foram reposicionados em montagens suspensas sob vácuo e um sistema de óptica adaptativa foi incorporado para correção in situ das aberrações ópticas dos espelhos. No projeto original, previa-se que a potência do laser atingisse 200 W em sua configuração final.