Інтерферометр Virgo — великий детектор гравітаційних хвиль, розташований в Італії поблизу Пізи. Це інтерферометр Майкельсона, здатний вимірювати маленькі зміни довжини своїх двох 3-кілометрових вакуумних труб, що дозволяє виявляти проходження гравітаційних хвиль. Необхідна точність досягнута за допомогою багатьох систем для ізоляції детектора від навколишнього середовища, включно з утриманням дзеркал та приладів у надвисокому вакуумі та їх підвішуванням за допомогою складних систем маятників.
Між циклами спостережень детектор модернізують для підвищення його чутливості. Спостереження виконують у співпраці з іншими подібними детекторами, зокрема з двома американськими гравітаційно-хвильовими обсерваторіями LIGO та японським детектором гравітаційних хвиль KAGRA. Така співпраця між кількома детекторами сильно підвищує надійність виявлення гравітаційних хвиль та допомагає визначати їхнє походження.
Virgo розробляли й будували, коли гравітаційні хвилі були лише передбаченням загальної теорії відносності. Проєкт, названий на честь скупчення галактик у сузір'ї Діви (), схвалили у 1992 році, а будівництво завершено у 2003 році. Після кількох років без позитивних результатів Virgo зупинили 2011 року для модернізації до Advanced Virgo. У 2015 році два детектори LIGO виконали перше спостереження гравітаційних хвиль, поки Virgo все ще перебував на модернізації. Virgo відновив спостереження на початку серпня 2017 року, 14 серпня здійснивши своє перше виявлення гравітаційної хвилі (разом з детекторами LIGO). Невдовзі після цього було виявлено гравітаційну хвилю GW170817, для якої вперше вдалося зареєструвати електромагнітне випромінювання (оптичними, гамма-, рентгенівськими та радіотелескопами).
Virgo входить до Європейської гравітаційної обсерваторії — консорціуму, заснованого французьким Національним центром наукових досліджень (CNRS) та італійським Національним інститутом ядерної фізики (INFN). Ширша колаборація Virgo, що об'єднує близько 1000 членів у 20 країнах, керує детектором та визначає стратегію та політику його використання й модернізації. Наукові команди LIGO та Virgo обмінюються даними з 2007 року, а з KAGRA — з 2019 року, утворюючи колаборацію LIGO-Virgo-KAGRA (LVK). Історія Проєкт Virgo був схвалений 1992 року французьким Національним центром наукових досліджень, а наступного року — італійським Національним інститутом ядерної фізики. Будівництво детектора розпочалося 1996 року в в Кашині біля Пізи в Італії, а завершено було 2003 року. Після кількох спостережень, під час яких гравітаційні хвилі не були виявлені, інтерферометр вимкнули у 2011 році для модернізації в межах проєкту Advanced Virgo. Він знову розпочав спостереження 2017 року та невдовзі після цього здійснив перші два виявлення спільно з детекторами LIGO.
Наукова мотивація
Virgo призначений для пошуку гравітаційних хвиль, випромінених астрофізичними джерелами по всьому Всесвіту, які можна розділити на три типи:
Транзієнтні джерела, тобто об'єкти, які можна виявити лише протягом короткого періоду. Основними джерелами в цій категорії є злиття подвійних чорних дір або нейтронних зір. Під час таких злиттів випромінюється швидко зростаючий сигнал, який стає помітним лише в останні секунди перед злиттям. Іншими можливими джерелами короткотривалих гравітаційних хвиль є наднові, нестійкості в компактних астрофізичних об'єктах та екзотичні джерела, такі як космічні струни. Неперервні джерела, сигнал яких можна спостерігати протягом тривалого часу. Основними кандидатами є пульсари — нейтронні зорі зі швидким обертанням, які можуть випромінювати гравітаційні хвилі, якщо вони не є ідеально сферичними (наприклад, якщо на поверхні є крихітні «гори»). Стохастичний фон — це тип загалом неперервного сигналу, що розсіюється по великих ділянках неба, а не походить від одного джерела. Він може складатися з великої кількості нерозрізнених джерел з вищезазначених категорій або походити з ранніх моментів існування Всесвіту.
Виявлення гравітаційних хвиль від цих джерел — це новий спосіб спостереження астрономічних об'єктів, який часто дає нову й принципово іншу інформацію, ніж традиційні методи, такі як телескопи. Також гравітаційні хвилі дозволяють досліджувати фундаментальні властивості гравітації й перевіряти загальну теорію відносності. Особливо цінну інформацію можуть містити поляризація гравітаційних хвиль та їхнє можливе гравітаційне лінзування. Гравітаційні хвилі також дають спосіб вимірювання сталої Габбла.
Задум Хоча концепцію гравітаційних хвиль представив Альберт Ейнштейн у 1916 році, серйозні проєкти з їх виявлення розпочалися лише наприкінці 1960-х років. Першими були стрижні Вебера, винайдені Джозефом Вебером; хоча вони теоретично могли виявляти гравітаційні хвилі, жоден з експериментів не досяг успіху. Однак вони спонукали до створення дослідницьких груп з пошуку гравітаційних хвиль.
Ідея великого інтерферометричного детектора почала набувати популярності на початку 1980-х років, а проєкт Virgo був розроблений італійським дослідником та французьким дослідником 1985 року після їхньої зустрічі в Римі. Ключовою ідеєю, яка відрізняла Virgo від інших проєктів, було орієнтування на низькі частоти (близько 10 Гц), натомість як більшість проєктів зосереджувалися на вищих частотах (близько 500 Гц). Багато хто тоді вважав, що спостереження на низьких частотах неможливі, лише Франція й Італія розпочали роботу над проєктом, який вперше був формально запропонований у 1987 році. Назва Virgo була придумана невдовзі після цього і стосувалась скупчення галактик у сузір'ї Діви (). Вона символізує мету проєкту — виявлення гравітаційних хвиль, утворених за межами нашої Галактики. Після схвалення CNRS та INFN будівництво інтерферометра розпочалося в 1996 році з метою початку спостережень до 2000 року.
Першою ціллю Virgo було безпосереднє спостереження гравітаційних хвиль, існування яких вже було опосередковано доведено тридцятирічним дослідженням подвійного пульсара 1913+16: спостережуване зменшення періоду обертання цього подвійного пульсара узгоджувалося з гіпотезою про те, що система втрачає енергію, випромінюючи гравітаційні хвилі.
Початковий детектор Virgo Будівництво детектора Virgo завершили в червні 2003 року, потім 4 роки вводили його в експлуатацію, а між 2007 і 2011 роками відбулося кілька періодів збору даних («наукових запусків», ). Він досяг очікуваної чутливості, що підтвердило правильність конструктивних рішень та продемонструвало, що гігантські інтерферометри є перспективними пристроями для виявлення гравітаційних хвиль у широкому діапазоні частот. Цю першу фазу роботи детектора іноді називають «початковою Virgo» ( або original Virgo). Деякі з запусків виконали спільно з двома детекторами LIGO (розташованими в Генфорді, штат Вашингтон, та в Лівінгстоні, штат Луїзіана). У 2010 році детектор зупинили на кілька місяців для модернізації системи підвіски Virgo, а оригінальні сталеві троси підвіски замінили скловолокном для зменшення теплового шуму. Навіть після кількох місяців збору даних за допомогою модернізованої системи підвіски, спостерігати гравітаційні хвилі не вдалося, й у вересні 2011 детектор вимкнули для вдосконалення до Advanced Virgo.
Advanced Virgo
Детектор Advanced Virgo мав на меті збільшити чутливість в 10 разів. Це дозволило також у 10 разів збільшити відстань, з якої можна виявити сигнал, у 1000 разів збільшити досліджуваний об'єм Всесвіту й відповідно підвищити ймовірність виявлення гравітаційних хвиль. Для цього вдосконалення науковці скористалися досвідом, отриманим на початковому детекторі.
Advanced Virgo зберіг ту саму вакуумну структуру, що й початковий Virgo, але решту інтерферометра модернізували. Додали чотири кріопастки (по одній на кожному кінці кожного з двох плеч) для вловлювання залишкових частинок, що надходили із дзеркальних веж. Нові дзеркала були більшими, діаметром 35 см та масою 40 кг, а їхні оптичні характеристики були покращені. Оптичні елементи, використовувані для керування інтерферометром, розташували у вакуумі на підвісних кріпленнях. Для корекції аберацій дзеркал встановили систему адаптивної оптики. За початковим планом, потужність лазера мала досягти 200 Вт.
2016 року Advanced Virgo розпочав процес введення в експлуатацію, а 1 серпня 2017 року він приєднався до двох детекторів LIGO, які на той час вже пройшли аналогічні оновлення до Advanced LIGO й виконали своє перше виявлення гравітаційних хвиль у 2015 році. Спостережні запуски для ери вдосконалених () детекторів колаборація LVK планує так, щоб максимізувати спостережний час з кількома детекторами. Ці запуски позначають як O1, O2, O3 і т. д. Virgo почав брати участь у них ближче до кінця запуску O2. 14 серпня 2017 року LIGO та Virgo виявили сигнал GW170814, про що повідомили 27 вересня того ж року. Це було перше злиття подвійних чорних дір, виявлене Virgo.
Гравітаційну хвилю GW170817 LIGO та Virgo виявили 17 серпня 2017 року. Цей сигнал виник в останні хвилини злиття двох нейтронних зір і був першим зареєстрованим сигналом такого типу. Також він став першим спостереженням гравітаційної хвилі, підтвердженим негравітаційними засобами, бо вдалося зареєструвати гамма-спалах, що виник у результаті цього злиття. Пізніше оптичні телескопи виявили кілонову, що відповідала цьому злиттю.
Після подальших модернізацій, Virgo розпочав у квітні 2019 року свій третій спостережний запуск (O3). Програма спостережень, запланована на один рік, завершилася достроково 27 березня 2020 року через пандемію COVID-19.
Оновлення після O3 є частиною програми Advanced Virgo+, розділеної на два етапи: перший передує запуску O4, а другий передує запуску O5. Перший етап був зосереджений на зменшенні квантового шуму шляхом впровадження потужнішого лазера, покращення , запровадженого в O3, та впровадження нової техніки, відомої як рециркуляція сигналу. Також навколо дзеркал встановили сейсмічні датчики. На другому етапі оновлення запланували зменшити тепловий шум дзеркала, змінивши геометрію лазерного променя для збільшення його розміру на дзеркалах (розподіливши енергію на більшій площі й таким чином знизивши температуру) та покращивши покриття дзеркал. Дзеркала на кінцях плечей мали збільшитись, що вимагало вдосконалення підвіски. Також на другому етапі запланували подальші вдосконалення пригнічення квантового шуму.
Четвертий спостережний запуск (O4) мав розпочатися у травні 2023 року, однак Virgo через технічні труднощі не встиг приєднатися до першої частини запуску O4, так званої O4a. 10 квітня 2024 він приєднався до другої частини запуску (O4b), а 28 січня 2025 року — до третьої його частини (O4c).
Майбутнє Після запуску O4 детектор знову вимкнуть для модернізації, зокрема для покращення дзеркального покриття. П'ятий спостережний запуск (O5) планують розпочати приблизно в кінці 2027 року.
Офіційних планів щодо майбутнього Virgo після запуску O5 не оголошено, хоча запропоновані проєкти подальшого вдосконалення детекторів. Ці плани відомі як проєкт Virgo_nEXT. Організація
Інтерферометром Virgo керує Європейська гравітаційна обсерваторія () — консорціум, створений у грудні 2000 року Французьким національним центром наукових досліджень (CNRS) та італійським Національним інститутом ядерної фізики (INFN). Нідерландський інститут суб'ядерної фізики приєднався як спостерігач пізніше, а в 2021 році став повноправним членом консорціуму. 2023 року установи з Польщі, Іспанії та Бельгії приєдналися до EGO як спостерігачі, а бельгійські та у 2025 році стали повноправними членами. EGO відповідає за об'єкт Virgo та забезпечує перевірку, технічне обслуговування, експлуатацію та модернізацію детектора. Як метонімія, місце розташування детектора іноді називається EGO, оскільки там знаходиться штаб-квартира консорціуму. Між 2018 і 2024 роками бюджет EGO коливався від 9 до 11,5 мільйонів євро на рік, а в установі працювало близько 60 осіб.