Linterferometro Virgo è uno strumento scientifico per la rivelazione delle onde gravitazionali. È situato in Italia nel comune di Cascina, vicino Pisa. Il rivelatore è un interferometro di Michelson, il quale può rivelare le minuscole variazioni di lunghezza nei suoi due bracci lunghi 3 km ciascuno indotte dal passaggio di un'onda gravitazionale. L'enorme precisione richiesta per poter osservare questo fenomeno si ottiene usando diversi sistemi volti a isolare lo strumento dall'ambiente circostante, tra i quali tenere gli specchi e la strumentazione in ultra alto vuoto e sospendendoli usando dei complessi sistemi di pendoli.
Nei periodi che intercorrono tra un periodo osservativo e l'altro, il rivelatore viene migliorato con degli aggiornamenti hardware in modo da aumentare la sua sensibilità. Questi periodi osservativi sono pianificati in collaborazione con gli altri rivelatori gravitazionali attualmente in operazione: i due LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatories) negli Stati Uniti e il giapponese KAGRA (Kamioka Gravitational Wave Detector), in quanto la collaborazione e la cooperazione tra diversi rivelatori è cruciale per la rivelazione delle onde gravitazionali e la localizzazione precisa delle sorgenti astrofisiche che le originano.
Virgo fu concepito e costruito quando le onde gravitazionali erano ancora solo una predizione teorica della Relatività Generale. Il progetto, che prende il nome dall'Ammasso della Vergine, fu approvato nel 1992 e la sua costruzione fu completata nel 2003. Dopo diversi anni di miglioramenti senza rivelazioni, l'interferometro venne spento nel 2011 per permettere l'installazione degli aggiornamenti che l'avrebbero portato alla versione di seconda generazione detta "Advanced Virgo". Nel 2015, la prima rivelazione di onde gravitazionali da parte dei due rivelatori LIGO avvenne mentre Virgo si trovava ancora in una fase di aggiornamento. Virgo riprese le osservazioni all'inizio di agosto 2017, facendo la sua prima rivelazione il 14 dello stesso mese insieme ai due LIGO. Questa fu seguita, pochi giorni dopo, dalla rivelazione dell'onda gravitazionale GW170817, generata dalla fusione di due stelle di neutroni, che rimane (a dicembre 2025) l'unica che è stata osservata anche con osservazioni elettromagnetiche (ottico, raggi gamma, raggi X e radiotelescopi).
Virgo è situato presso l'Osservatorio Gravitazionale Europeo (EGO), un consorzio fondato dal Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS, Francia) e dall'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN, Italia). La collaborazione Virgo, che riunisce attualmente 910 membri da 21 nazioni, si occupa del funzionamento del rivelatore e definisce la strategia e la politica per il suo utilizzo e il suo aggiornamento. Le collaborazioni LIGO e Virgo hanno condiviso i propri dati tra di loro dal 2007; a partire dal 2019 sono stati ulteriormente condivisi anche con KAGRA, formando la collaborazione LVK (LIGO-Virgo-KAGRA).
Organizzazione
L'interferometro Virgo è gestito dal consorzio EGO, creato nel dicembre del 2000 dal Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS, Francia) e dall'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN, Italia). Nikhef, l'istituto olandese per la fisica nucleare e delle alte energie, si unì successivamente prima come osservatore e diventò poi un membro a tutti gli effetti nel 2021. Istituti dalla Polonia, Spagna e Belgio si unirono ad EGO come osservatori nel 2023, con gli istituti belgi FWO e FNRS che diventarono poi membri effettivi nel 2025. EGO è responsabile dell'area dove sorge Virgo e per il commissioning, la manutenzione, il funzionamento e gli aggiornamenti del rivelatore. Per metonimia, ci si riferisce talvolta al luogo stesso come EGO in quanto il quartier generale del consorzio si trova ubicato nella stessa sede dell'esperimento Virgo. Uno degli obiettivi principali di EGO è promuovere la ricerca sulla gravità in Europa. Tra il 2018 e il 2024 il budget di EGO è fluttuato tra i 9 e gli 11.5 milioni di euro l'anno.
La Collaborazione Virgo è formata da tutti i ricercatori e le ricercatrici che lavorano sui vari aspetti del rivelatore. Alla fine del 2024 era composta da circa 910 membri provenienti da 165 diversi istituti di ricerca in 21 paesi: Italia, Francia, Paesi Bassi, Polonia, Spagna, Belgio, Germania, Ungheria, Portogallo, Grecia, Repubblica Ceca, Danimarca, Irlanda, Principato di Monaco, Svizzera, Brasile, Burkina Faso, Cina, Israele, Giappone e Corea del Sud.
La Collaborazione Virgo fa parte della più grande Collaborazione LVK, che raccoglie scienziati e scienziate dagli altri maggiori esperimenti di onde gravitazionali per analizzare i dati in maniera congiunta. La Collaborazione LVK iniziò nel 2007 come Collaborazione LIGO-Virgo (LVC), e si espanse nel 2019 quando si unì anche KAGRA.
Motivazione scientifica
Virgo è stato progettato per rivelare onde gravitazionali emesse da sorgenti astrofisiche che possono essere classificate in tre diverse categorie: Sorgenti transienti: oggetti rivelabili solo per un breve periodo. Le sorgenti principali in questa categoria sono coalescenze di binarie compatte (CBC) da buchi neri binari (o stelle di neutroni binarie) che si stanno fondendo: queste sorgenti emettono un segnale che cresce rapidamente e che diventa rivelabile solo negli ultimi secondi prima della fusione. Altre possibili sorgenti di onde gravitazionali di breve durata sono le supernovae, le instabilità in oggetti astrofisici compatti o sorgenti esotiche come ad esempio le stringhe cosmiche. Sorgenti continue: emettono un segnale rivelabile su un lungo periodo di tempo. I candidati principali sono le stelle di neutroni in rapida rotazione (pulsar), che possono emettere onde gravitazionali se non sono perfettamente sferiche (ad esempio, se ci sono delle piccole "montagne" sulla loro superficie). Fondo stocastico: un tipo di segnale generalmente continuo che è diffuso su grandi regioni di cielo piuttosto che provenire da una singola sorgente. Può consistere di un grande numero di sorgenti indistinguibili dalle categorie precedenti (fondo stocastico astrofisico), o essere stato originato nei primissimi momenti di vita dell'universo (fondo stocastico primordiale).
La rivelazione delle onde gravitazionali da queste sorgenti costituisce una nuova finestra osservativa (spesso con informazioni differenti rispetto ai metodi classici di osservazione con i telescopi), che consente di esaminare proprietà fondamentali della gravità, come la polarizzazione delle onde gravitazionali, la presenza di possibili lenti gravitazionali, la misura della costante di Hubble e di determinare se i segnali osservati sono descritti correttamente dalla Relatività Generale.
Storia Il progetto Virgo fu approvato nel 1992 dal CNRS e l'anno successivo dall'INFN. La costruzione del rivelatore iniziò nel 1996 a Santo Stefano a Macerata vicino Cascina, in provincia di Pisa, e fu completata nel 2003. Dopo diversi periodi osservativi nei quali non fu osservato alcun segnale di onde gravitazionali, l'interferometro fu spento nel 2011 per iniziare un lungo periodo di aggiornamento. Diventato un rivelatore di seconda generazione noto come Advanced Virgo, il rivelatore riprese le osservazioni nel 2017 e fece le sue prime due rivelazioni poco dopo insieme ai due rivelatori americani LIGO.
Concezione Sebbene il concetto delle onde gravitazionali fosse stato presentato da Albert Einstein nel 1916, progetti finalizzati alla loro rivelazione iniziarono solo verso la fine degli anni '60 del Novecento. I primi tra questi furono le cosiddette barre di Weber, che prendono il nome dal loro inventore Joseph Weber; sebbene potessero in principio rivelare onde gravitazionali, nessuno degli esperimenti che le utilizzò ebbe successo. Tuttavia, diedero l'impulso alla creazione di gruppi di ricerca dedicati allo studio e alla rivelazione di questo fenomeno.
L'idea di un grande rivelatore interferometrico iniziò a guadagnare credibilità durante i primi anni '90 del Novecento. Il progetto Virgo fu teorizzato dal ricercatore italiano Adalberto Giazotto e dal francese Alain Brillet dopo che si incontrarono a Roma nel 1985. Un fattore chiave che distinse Virgo rispetto agli altri progetti fu l'obiettivo di rivelare segnali fino alle basse frequenze intorno ai 10 hertz (Hz), mentre la maggior parte dei progetti dell'epoca si concentrava sulle alte frequenze (intorno ai 500 Hz e superiori). In molti erano convinti a quel tempo che le osservazioni a bassa frequenza non erano possibili: solamente l'Italia e la Francia iniziarono a lavorare sul progetto, che venne proposto per la prima volta nel 1987. Il nome Virgo venne coniato poco dopo in riferimento all'ammasso della Vergine, simboleggiando l'obiettivo del progetto di rivelare onde gravitazionali provenienti da oltre la nostra galassia. Dopo l'approvazione del CNRS e dell'INFN, la costruzione dell'interferometro iniziò nel 1996 con l'obiettivo di iniziare le osservazioni nel 2000.
Il primo scopo di Virgo era quello di rivelare direttamente le onde gravitazionali, la cui esistenza era stata già evidenziata in modo indiretto da oltre tre decenni di studio del sistema binario di Hulse-Taylor PSR 1913+16. L'osservazione della diminuzione del periodo orbitale di questo sistema binario di pulsar era in accordo con la predizione della Relatività Generale secondo cui il sistema stava perdendo energia emettendo onde gravitazionali.
Rivelatore Virgo Il rivelatore Virgo fu costruito, messo in funzione e tenuto operativo durante i primi anni del 2000, raggiungendo il valore di sensibilità previsto. Questo validò le sue scelte di design e dimostrò che i grandi interferometri erano dispositivi molto promettenti per rivelare onde gravitazionali in un'ampia banda di frequenze. Questa fase è a volte chiamata "Virgo iniziale" o semplicemente "Virgo".
La costruzione del rivelatore Virgo fu completata nel giugno del 2003 e dopo quattro anni di commissioning vi furono diversi periodi di presa dati (detti "run scientifici") tra il 2007 e il 2011. Alcuni di questi periodi vennero condotti insieme ai due rivelatori LIGO, locati negli Stati Uniti presso Hanford (Washington) e Livingston (Louisiana). Ci fu uno spegnimento di alcuni mesi nel 2010 per un aggiornamento del sistema delle sospensioni di Virgo, in cui i fili originali delle sospensioni, realizzati in acciaio, vennero sostituiti da fibre di vetro per ridurre il rumore termico. La presa dati con il nuovo sistema di sospensioni continuò per diversi mesi, ma non venne registrato nessun segnale gravitazionale. Il rivelatore venne quindi spento nel settembre del 2011 per iniziare l'installazione di tutta una serie di miglioramenti che avrebbero portato il rivelatore alla versione Advanced Virgo.
Rivelatore Advanced Virgo
Il rivelatore Advanced Virgo aveva l'obiettivo di migliorare la sensibilità e la distanza da cui un segnale gravitazionale può essere rivelato di un fattore 10 rispetto a Virgo, permettendo di esplorare un volume di universo 1000 volte più grande e rendendo quindi la rivelazione delle onde gravitazionali più probabile. Il miglioramento della sensibilità beneficiò molto dell'esperienza acquisita con il rivelatore Virgo e dei progressi tecnologici nello sviluppo e nel miglioramento di alcune componenti dell'esperimento.