Вирго

Шаблон:Инфокутија Организација Интерферометар Вирго (енгл. Virgo interferometer) је научни инструмент великих размера смештен у близини Пизе у Италији, намење детектовању гравитационих таласа. Детектор је Мајкелсонов интерферометар, који може да детектује сићушне варијације у дужини своја два крака од 3 km, изазване проласком гравитационих таласа. Потребна прецизност се постиже употребом многих система за изолацију од спољашњег света, укључујући држање огледала и инструментације у ултрависоком вакууму и њихово вешање помоћу сложених система клатна.

Између периодичних посматрања, детектор се надограђује како би се повећала његова осетљивост. Посматрачки циклуси се изводе у сарадњи са другим сличним детекторима, укључујући две Ласерске интерферометарске опсерваторије за гравитационе таласе (LIGO) у Сједињеним Државама и јапански детектор гравитационих таласа Камиока (KAGRA), јер је сарадња између неколико детектора кључна за детектовање гравитационих таласа и прецизно одређивање њиховог порекла.

Вирго је замишљен и изграђен када су гравитациони таласи били само предвиђање опште теорије релативности. Пројекат, назван по јату галаксија Девица (енгл. Virgo Cluster), одобрен је 1992. године, а изградња је завршена 2003. Након неколико година без детекције, Вирго је угашен 2011. ради надоградње „Напредни Вирго” (енгл. Advanced Virgo). Године 2015, два LIGO детектора извршила су прво посматрање гравитационих таласа, док је Вирго још био у фази надоградње. Вирго је наставио са посматрањима почетком августа 2017. године, направивши своју прву детекцију 14. августа (заједно са LIGO детекторима); ово је брзо праћено детекцијом гравитационог таласа GW170817, јединог који је такође посматран класичним методама (оптичким, гама, рендгенским и радио телескопима) Шаблон:As of

Вирго угошћује Европска гравитациона опсерваторија (ЕГО), конзорцијум који су основали француски Национални центар за научна истраживања (CNRS) и италијански Национални институт за нуклеарну физику (INFN). Шира Вирго колаборација, која окупља 940 чланова у 20 земаља, управља детектором и дефинише стратегију и политику за његово коришћење и надоградње. LIGO и Вирго колаборације деле своје податке од 2007. године, а са KAGRA-ом од 2019. године, формирајући сарадњу LIGO-Вирго-KAGRA (LVK).

Шаблон:LegendШаблон:Legend

Организација

Интерферометром Вирго управља конзорцијум Европска гравитациона опсерваторија (ЕГО), који су у децембру 2000. године основали Национални центар за научна истраживања (CNRS) и Национални институт за нуклеарну физику (INFN). Nikhef, холандски Институт за нуклеарну физику и физику високих енергија, касније се придружио као посматрач и на крају постао пуноправни члан 2021. године. Институције из Пољске, Шпаније и Белгије придружиле су се ЕГО-у као посматрачи 2023. године, док су белгијски FWO и FNRS постали пуноправни чланови 2025. године. ЕГО је одговоран за локалитет Вирго и обезбеђује пуштање у рад, одржавање, рад и надоградњу детектора. Метонимијом, сам локалитет се понекад назива ЕГО, јер је седиште конзорцијума тамо. Један од циљева ЕГО-а је промовисање истраживања гравитације у Европи. Између 2018. и 2024. године, буџет ЕГО-а варирао је између 9 и 11,5 милиона евра годишње, запошљавајући око 60 људи.

Вирго колаборација се састоји од свих истраживача који раде на различитим аспектима детектора. Око 940 чланова, који представљају 165 институција у 20 земаља, били су део Колаборације Шаблон:As of Ово укључује институције у Француској, Италији, Холандији, Пољској, Шпанији, Белгији, Немачкој, Мађарској, Португалу, Грчкој, Чешкој, Данској, Ирској, Монаку, Швајцарској, Бразилу, Буркини Фасо, Кини, Израелу, Јапану и Јужној Кореји.

Вирго колаборација је део шире сарадње LIGO-Вирго-KAGRA (LVK), која окупља научнике из других великих експеримената са гравитационим таласима ради заједничке анализе података; ово је кључно за детекцију гравитационих таласа. LVK је започео 2007. године као сарадња LIGO-Вирго, и проширена је када се KAGRA придружила 2019. године.

Научни случај

Рачунарска симулација гравитационих таласа емитованих орбиталним распадањем и спајањем две црне рупе

Типичан „цвркут” сигнала гравитационог таласа из догађаја GW170817. Оса x представља време, а оса y фреквенцију. Повећање фреквенције током времена типично је за гравитационе таласе из бинарних компактних објеката, а његов облик је првенствено одређен масом објеката.

Вирго је дизајниран да тражи гравитационе таласе које емитују астрофизички извори широм универзума, а који се могу класификовати у три типа:

• Пролазни извори, који су објекти детектибилни само током кратког периода. Главни извори у овој категорији су спајања компактних бинарних објеката (CBC) од бинарних црних рупа (или неутронских звезда) које се спајају, емитујући брзо растући сигнал који постаје детектибилан тек у последњим секундама пре спајања. Други могући извори краткотрајних гравитационих таласа су супернове, нестабилности у компактним астрофизичким објектима или егзотични извори као што су космичке струне.
• Континуирани извори, који емитују сигнал који се може посматрати током дугог временског периода. Главни кандидати су брзо ротирајуће неутронске звезде (пулсари), који могу емитовати гравитационе таласе ако нису савршено сферни (нпр. ако постоје мале „планине” на површини).
• Стохастичке позадине, врста генерално континуираног сигнала дифузног широм великих региона неба, а не из једног извора. Могао би се састојати од великог броја неразлучивих извора из горе наведених категорија, или потицати из раних тренутака универзума.

Детекција гравитационих таласа из ових извора је нови начин њиховог посматрања (често са другачијим информацијама од класичних метода као што су телескопи) и испитивања фундаменталних особина гравитације као што је поларизација гравитационих таласа, могуће гравитационо сочивање, или утврђивање да ли су посматрани сигнали правилно описани општом теоријом релативности. Такође пружа начин за мерење Хаблове константе.

Историја

Пројекат Вирго одобрио је 1992. године француски CNRS, а наредне године и италијански INFN. Изградња детектора почела је 1996. године у Санто Стефано а Мачерата у општини Кашина, у близини Пизе у Италији, а завршена је 2003. Након неколико посматрачких циклуса у којима нису детектовани гравитациони таласи, интерферометар је угашен 2011. године ради надоградње у оквиру пројекта „Напредни Вирго”. Поново је почео са посматрањима 2017. године и убрзо након тога направио своје прве две детекције, заједно са LIGO детекторима.

Замисао

Иако је концепт гравитационих таласа представио Алберт Ајнштајн 1916. године, озбиљни пројекти за њихово детектовање започели су тек крајем 1960-их. Први су били Веберове шипке, које је изумео Џозеф Вебер; иако су теоретски могле да детектују гравитационе таласе, ниједан експеримент није успео. Међутим, они су подстакли стварање истраживачких група посвећених гравитационим таласима.

Идеја о великом интерферометријском детектору почела је да добија на веродостојности током раних 1980-их, а пројекат Вирго су конципирали италијански истраживач Адалберто Ђацото и француски истраживач Ален Брије 1985. године након сусрета у Риму. Кључна идеја која је издвојила Вирго од других пројеката била је циљање ниских фреквенција (око 10 Hz); већина пројеката се фокусирала на више фреквенције (око 500 Hz). Многи су тада веровали да посматрања на ниским фреквенцијама нису могућа; само су Француска и Италија започеле рад на пројекту, који је први пут предложен 1987. године. Име Вирго настало је убрзо након тога, у вези са јатом галаксија Девица; оно симболизује циљ пројекта да детектује гравитационе таласе који потичу изван наше галаксије. Након одобрења од стране CNRS-а и INFN-а, изградња интерферометра почела је 1996. године са циљем да посматрања почну до 2000. године.

Први циљ Вирга био је да директно посматра гравитационе таласе, чије је постојање већ индиректно доказано троцедецијским проучавањем бинарног пулсара 1913+16: уочено смањење орбиталног периода овог бинарног пулсара било је у складу са хипотезом да систем губи енергију емитовањем гравитационих таласа.

Почетни детектор Вирго

Вирго детектор је први пут изграђен, пуштен у рад и коришћен током 2000-их, и достигао је своју очекивану осетљивост. Ово је потврдило избор дизајна и показало да су џиновски интерферометри обећавајући уређаји за детектовање гравитационих таласа у широком фреквентном опсегу. Ова фаза се понекад назива „почетни Вирго” или „оригинални Вирго”.

Изградња почетног Вирго детектора завршена је у јуну 2003. године, а уследило је неколико периода прикупљања података („научни циклуси”) између 2007. и 2011. године, након 4 године пуштања у рад. Неки од циклуса су изведени са два LIGO детектора (који се налазе у Ханфорд Сајту, Вашингтон и у Ливингстону, Луизијана). Дошло је до гашења од неколико месеци 2010. године ради надоградње Вирго система вешања, а оригиналне челичне жице за вешање замењене су стакленим влакнима како би се смањио топлотни шум. Чак и након неколико месеци прикупљања података са надограђеним системом вешања, гравитациони таласи нису примећени, па је детектор угашен у септембру 2011. ради инсталације „Напредног Вирга”.

Напредни Вирго детектор

Прва директна детекција гравитационог таласа од стране Вирга 14. августа 2017. (GW170814)

Детектор „Напредни Вирго” (енгл. Advanced Virgo) имао је за циљ да повећа осетљивост (и удаљеност са које се сигнал може детектовати) за фактор 10, омогућавајући му да истражује запремину универзума 1.000 пута већу и чинећи детекцију гравитационих таласа вероватнијом. Он је имао користи од искуства стеченог са почетним детектором и технолошких напредака.

Напредни Вирго задржао је исту вакуумску инфраструктуру као почетни Вирго, али је остатак интерферометра надограђен. Четири додатне криозамке додате су на оба краја сваког крака како би заробиле преостале честице које долазе са торњева огледала. Нова огледала су била већа, са пречником од 35 cm и тежином од 40 kg, а њихове оптичке перформансе су побољшане. Оптички елементи коришћени за контролу интерферометра били су под вакуумом на висећим носачима. Систем адаптивне оптике инсталиран је да исправи аберације огледала ин ситу. У првобитном плану, очекивало се да снага ласера достигне 200 W у коначној конфигурацији.Шаблон:Rp

Напредни Вирго је започео процес пуштања у рад 2016. године, придруживши се двама LIGO детекторима (који су прошли кроз сличне надоградње са „Напредним LIGO-ом” и извршили своју прву детекцију 2015. године) 1. августа 2017. Посматрачки „циклуси” за еру напредног детектора планирани су од стране LVK колаборације са циљем да се максимизира време посматрања са неколико детектора, и означени су од О1 до О5; Вирго је почео да учествује у њима пред крај циклуса О2. LIGO и Вирго су детектовали сигнал GW170814 14. августа 2017. године, што је објављено 27. септембра исте године. То је било прво спајање бинарних црних рупа које су детектовали и LIGO и Вирго, и прво за Вирго.

GW170817 су детектовали LIGO и Вирго 17. августа 2017. Сигнал, произведен у последњим минутима две неутронске звезде које су спирално прилазиле једна другој и спојиле се, био је прво посматрано спајање бинарних неутронских звезда и прво посматрање гравитационих таласа потврђено негравитационим средствима. Резултујући бљесак гама зрачења је такође детектован, а оптички телескопи су касније открили килонову која одговара спајању. Шаблон:Gravitational waves observation periods graphical timeline  Након даљих надоградњи, Вирго је започео свој трећи посматрачки циклус (О3) у априлу 2019. Планиран да траје годину дана, циклус је прерано завршен 27. марта 2020. због пандемије ковида 19.

Надоградње након О3 део су програма „Напредни Вирго+” (Advanced Virgo+), подељеног у две фазе; прва је претходила циклусу О4, а друга претходи циклусу О5. Прва фаза се фокусирала на смањење квантног шума увођењем снажнијег ласера, побољшањем сабијања светлости уведеног у О3, и применом нове технике познате као рециклажа сигнала; сеизмички сензори су такође инсталирани око огледала. Друга фаза ће покушати да смањи топлотни шум огледала променом геометрије ласерског зрака како би се повећала његова величина на огледалима (ширење енергије на већу површину и тиме смањење температуре) и побољшањем премаза огледала; крајња огледала ће бити већа, што захтева побољшања вешања. Очекују се и даља побољшања за смањење квантног шума у другој фази, надовезујући се на промене из прве.

Четврти посматрачки циклус (О4) био је заказан за мај 2023. и планирано је да траје 20 месеци, укључујући паузу за пуштање у рад од највише два месеца. Дана 11. маја 2023. Вирго је објавио да се неће придружити почетку О4; интерферометар није био довољно стабилан да достигне очекивану осетљивост и једном огледалу је била потребна замена, што је захтевало неколико недеља рада. Вирго се није придружио циклусу О4 током његовог првог дела (О4а, који се завршио 16. јануара 2024), јер је достигао само вршну осетљивост од 45 Mpc уместо 80 до 115 Mpc како је првобитно очекивано; придружио се другом делу циклуса (О4б), који је почео 10. априла 2024, са осетљивошћу од 50 до 55 Mpc. У јуну 2024. објављено је да ће циклус О4 трајати до 9. јуна 2025. како би се даље припремиле надоградње за О5. Распоред је додатно ревидиран у јануару 2025, са додатном двомесечном паузом која почиње у априлу 2025, и продужењем циклуса до 7. октобра 2025. како би се надокнадило изгубљено време. У јуну 2025. циклус је продужен још више, до 18. новембра 2025, омогућавајући посматрања која се преклапају са првим операцијама Опсерваторије Вера Рубин. Ова три продужења циклуса означена су као О4ц (који је званично почео 28. јануара 2025). О4ц се званично завршио 18. новембра 2025. Шаблон:As of, разматра се могући шестомесечни циклус у другој половини 2026. године.

Будућност

Детектор ће поново бити угашен ради надоградње, укључујући побољшање премаза огледала, након циклуса О4. Пети посматрачки циклус (О5) планиран је да почне крајем 2027. године. Циљана осетљивост Вирга, првобитно постављена на 150–260 Mpc, редефинише се у светлу његових перформанси током О4.

Нису објављени званични планови за будућност Вирго инсталација након периода О5, иако су предложени пројекти за побољшање детектора. Тренутни планови колаборације познати су као пројекат Virgo_nEXT.

Инструмент

Принцип

Шаблон:MainДатотека:Gravitational wave interferometer animation.ogg У општој теорији релативности, гравитациони талас је простор-временска пертурбација која се простире брзином светлости. Она благо криви простор-време, мењајући путању светлости. Ово се може детектовати помоћу Мајкелсоновог интерферометра, у којем се ласер дели на два зрака која путују у ортогоналним правцима, одбијајући се о огледало на крају сваког крака. Како гравитациони талас пролази, он различито мења путању два зрака; они се затим поново спајају, а резултујући интерферометријски образац се мери помоћу фотодиоде. Пошто је изазвана деформација изузетно мала, прецизност у положају огледала, стабилност ласера, мерења и изолација од спољашњег шума су од суштинског значаја.

Ласер и систем убризгавања

Распоред интерферометра Вирго током циклуса О4 (2023–2024), укључујући огледало за рециклажу сигнала и филтерску шупљину који нису постојали у претходном циклусу. Процене снаге ласера су индикативне.

Ласер, извор светлости инструмента, мора бити снажан и стабилан у фреквенцији и амплитуди. Да би се испуниле ове спецификације, зрак почиње од стабилног ласера мале снаге. Светлост из ласера пролази кроз неколико појачала, која повећавају њену снагу за фактор 100. Излазна снага од 50 вати (W) постигнута је за последњу конфигурацију почетног Вирго детектора (достижући 100 W током циклуса О3 након надоградње Напредног Вирга), а очекује се да ће бити надограђена на 130 W на почетку циклуса О4. Оригинални Вирго детектор имао је ласерски систем master-slave, где се „master” (главни) ласер користи за стабилизацију „slave” (подређеног) ласера велике снаге; главни ласер био је Nd:YAG ласер, а подређени ласер био је Nd:YVO4 ласер. Дизајн Напредног Вирга користи ласер са влакнима, са фазом појачања такође направљеном од влакана, како би се побољшала робусност система; његова коначна конфигурација планирана је да комбинује светлост два ласера како би се достигла потребна снага.Шаблон:Rp Таласна дужина ласера је 1064 нанометара у оригиналној и Напредној Вирго конфигурацији.

Овај ласерски зрак се шаље у интерферометар након проласка кроз систем за убризгавање, који обезбеђује његову стабилност, подешава његов облик и снагу, и правилно га позиционира за улазак у интерферометар. Систем за убризгавање укључује улазни чистач модова, што је шупљина дуга 140 m дизајнирана да побољша квалитет зрака стабилизацијом фреквенције, уклањањем нежељеног ширења светлости и смањењем ефекта неусклађености ласера. Такође поседује Фарадејев изолатор који спречава повратак светлости у ласер, и телескоп за усклађивање модова који прилагођава величину и положај зрака пре него што уђе у интерферометар.Шаблон:Rp

Огледала

Огледало из почетног Вирго детектора, сада изложбени модел на локацији Вирго

Велика огледала у сваком краку су најкритичнија оптика интерферометра. Она укључују два крајња огледала на крајевима кракова интерферометра дужине 3 km и два улазна огледала близу почетка кракова. Ова огледала чине резонантну оптичку шупљину у сваком краку у којој се светлост одбија хиљадама пута пре него што се врати у разделник зрака, максимизирајући ефекат сигнала на путању ласера и омогућавајући повећање снаге светлости која кружи у крацима. Ова огледала (дизајнирана за Вирго) су цилиндри пречника 35 cm и дебљине 20 cm,Шаблон:Rp направљени од изузетно чистог стакла. Током процеса производње, огледала се полирају до атомског нивоа како би се избегло расипање (и губитак) било какве светлости. Затим се додаје рефлектујући премаз (Брагов рефлектор направљен распрашивањем јонским снопом). Огледала на крају кракова одбијају скоро сву долазну светлост, са мање од 0,002 процента губитка при сваком одбијању.

Два друга огледала су такође у коначном дизајну:

• Огледало за рециклажу снаге, између ласера и разделника зрака. Пошто се већина светлости одбија према ласеру након повратка у разделник зрака, ово огледало поново убризгава светлост у главни интерферометар и повећава снагу у крацима.
• Шаблон:AnchorОгледало за рециклажу сигнала, на излазу интерферометра, поново убризгава део сигнала у интерферометар (планирано је да трансмисија овог огледала буде 40 процената) и формира још једну шупљину. Са малим подешавањима овог огледала, квантни шум се може смањити у делу фреквентног опсега и повећати на другим местима; ово омогућава подешавање интерферометра за одређене фреквенције. Планирано је коришћење широкопојасне конфигурације, смањењем шума на високим и ниским фреквенцијама и повећањем на средњим фреквенцијама. Смањен шум на високим фреквенцијама је од посебног интереса за проучавање сигнала непосредно пре и после спајања компактног објекта.

Суператенуатори

Вирго огледало је подржано у вакууму суператенуатором, који пригушује сеизмичке вибрације. То је ланац клатна која висе са горње платформе и ослоњена су на три ноге причвршћене за тло, формирајући инверзно клатно. Сеизмичке вибрације изнад 10 Hz се смањују за више од 10¹² пута, а положај огледала се контролише.

Да би се ублажио сеизмички шум који би могао да се прошири до огледала, потресајући их и заклањајући потенцијалне сигнале гравитационих таласа, огледала су обешена помоћу сложеног система. Главна огледала су обешена помоћу четири танка влакна направљена од силицијум-диоксида која су причвршћена за серију атенуатора (пригушивача). Овај суператенуатор, висок скоро 8 m, налази се у вакууму. Суператенуатори ограничавају поремећаје огледала и омогућавају прецизно управљање положајем и оријентацијом огледала. Оптички сто са оптиком за убризгавање која се користи за обликовање ласерског зрака, као и оптичке клупе које се користе за детекцију светлости, такође су обешени у вакууму како би се ограничио сеизмички и акустични шум. У конфигурацији Напредног Вирга, инструментација која се користи за детекцију сигнала гравитационих таласа и управљање интерферометром (фотодиоде, камере и припадајућа електроника) инсталирана је на неколико клупа обешених у вакууму.Шаблон:Rp

Дизајн суператенуатора заснива се на пасивном пригушивању сеизмичког шума постигнутом повезивањем неколико клатна, од којих је свако хармонијски осцилатор. Она имају резонантну фреквенцију (која се смањује са дужином клатна) изнад које ће шум бити пригушен; повезивање неколико клатна смањује шум за дванаест редова величине, уводећи резонантне фреквенције које су више од једног дугог клатна. Највиша резонантна фреквенција је око 2 Hz, обезбеђујући значајно смањење шума почевши од 4 HzШаблон:Rp и достижући ниво потребан за детекцију гравитационих таласа око 10 Hz. Систем је ограничен тиме што шум у опсегу резонантне фреквенције (испод 2 Hz) није филтриран и може генерисати велике осцилације; ово се ублажава активним системом пригушивања, укључујући сензоре који мере сеизмички шум и актуаторе који контролишу суператенуатор како би се сузбио шум.

Систем детекције

Део светлости у шупљинама кракова разделник зрака шаље ка систему детекције. Интерферометар ради близу „тамне пруге”, са врло мало светлости која се шаље ка излазу; већина се враћа на улаз, да би је прикупило огледало за рециклажу снаге. Део ове светлости се одбија назад помоћу огледала за рециклажу сигнала, а остатак прикупља систем детекције. Она прво пролази кроз излазни чистач модова, који филтрира „модове вишег реда” (светлост која се простире на нежељени начин, типично због малих дефеката на огледалима) пре него што стигне до фотодиода које мере интензитет светлости. Излазни чистач модова и фотодиоде су обешени у вакууму.

Детекциона клупа интерферометра Вирго пре инсталације у априлу 2015. Широка је 88 cm и на њој се налази излазни чистач модова; фотодиода је на другој клупи.

Са циклусом О3, уведен је извор сабијеног вакуума како би се смањио квантни шум који је једно од главних ограничења осетљивости. При замени стандардног вакуума сабијеним вакуумом, флуктуације једне величине се смањују на рачун повећања флуктуација друге величине због Хајзенберговог принципа неодређености. У Виргу, величине су амплитуда и фаза светлости. Сабијени вакуум је предложио Карлтон Кејвс 1981. године током раног развоја детектора гравитационих таласа. Током циклуса О3, примењено је сабијање независно од фреквенције; сабијање је идентично на свим фреквенцијама, смањујући шум сачме (доминантан на високим фреквенцијама) и повећавајући шум притиска зрачења (доминантан на ниским фреквенцијама, и не ограничава осетљивост инструмента). Због додавања убризгавања сабијеног вакуума, квантни шум је смањен за 3,2 dB на високим фреквенцијама, а домет детектора је повећан за пет до осам процената. Софистициранија сабијена стања се производе комбиновањем технологије из О3 са новом филтерском шупљином дужине 285 m. Ова технологија, позната као сабијање зависно од фреквенције, помаже да се смањи шум сачме на високим фреквенцијама (где је шум притиска зрачења ирелевантан) и смањи шум притиска зрачења на ниским фреквенцијама (где је шум сачме низак).

Инфраструктура

• 
  Поглед из ваздуха на локацију Вирго из 2015. године, приказује западни крак (горе) и део северног крака (десно), заједно са различитим зградама
• 
  Панорама улаза на локацију Вирго
• 
  Северни крак дугачак Шаблон:Convert
• 
  (Напред) Зграда контролне собе детектора и локални рачунарски центар
• 
  Централна зграда, која садржи већину критичних компоненти инструмента
• 
  Шупљина чистача модова (лево, која филтрира ласерски зрак) и западни крак

Из ваздуха, Вирго детектор има облик слова „L” са своја два перпендикуларна крака дугачка Шаблон:Convert. На пресеку два крака налази се централна зграда, која садржи већину кључних компоненти Вирга, укључујући ласер, разделник зрака и улазна огледала. Дуж западног крака, краћа шупљина и припадајућа зграда угошћују улазни чистач модова. Крајња огледала се налазе у наменској згради на крају сваког крака. Јужно од западног крака, додатне зграде садрже канцеларије, радионице, као и рачунарски центар локације и контролну собу инструмента.

У „тунелима” кракова смештене су цеви у којима ласерски зраци путују у вакууму. Вирго је једна од највећих инсталација ултрависоког вакуума у Европи, са запремином од Шаблон:Convert. Два крака од Шаблон:Convert направљена су од дуге челичне цеви пречника Шаблон:Convert, у којој је циљни преостали притисак око хиљадити део милијардитог дела атмосфере (100 пута мање него у оригиналном Виргу). Преостали молекули гаса, првенствено водоник и вода, имају ограничен утицај на путању ласерских зрака.Шаблон:Rp Велики засуни се налазе на оба краја кракова тако да се радови могу обављати у торњевима огледала под вакуумом без нарушавања ултрависоког вакуума крака. Торњеви који садрже огледала и атенуаторе подељени су у две секције, са различитим притисцима. Цеви пролазе кроз процес, познат као печење, у којем се загревају на Шаблон:Convert како би се уклониле нежељене честице са њихових површина; иако су торњеви такође били подвргнути печењу у почетном дизајну Вирга, сада се користе криогене замке како би се спречила контаминација.Шаблон:Rp

Због велике снаге интерферометра, његова огледала су подложна ефектима загревања изазваним ласером (упркос изузетно ниској апсорпцији). Ови ефекти могу изазвати деформацију површине услед ширења или промену индекса преламања супстрата, што доводи до бежања снаге из интерферометра и пертурбација сигнала. Ови ефекти се узимају у обзир системом за топлотну компензацију (TCS) који укључује Хартманове сензоре таласног фронта за мерење оптичке аберације помоћу помоћног извора светлости, и два актуатора: CO₂ ласере (који загревају делове огледала да исправе дефекте) и прстенасте грејаче, који подешавају полупречник кривине огледала. Систем такође исправља „хладне дефекте”: трајне дефекте настале током производње огледала.Шаблон:Rp Током циклуса О3, TCS је повећао снагу унутар интерферометра за 15 процената и смањио снагу која напушта интерферометар за фактор два.

Њутнов калибратор („NCal”) пре инсталације на детектор. Неколико их је инсталирано близу крајњег огледала; кретање ротора ствара променљиву гравитациону силу на огледалу, омогућавајући контролисано кретање.

Још једна важна компонента је систем за контролу расуте светлости (свака светлост која напушта предвиђену путању интерферометра, расипањем на површини или од нежељене рефлексије). Поновно спајање расуте светлости са главним зраком интерферометра може бити значајан извор шума, често тежак за праћење и моделовање. Већина напора за ублажавање расуте светлости заснива се на апсорпционим плочама (познатим као преграде) постављеним близу оптике и унутар цеви; предузимају се додатне мере предострожности како би се спречило да преграде утичу на рад интерферометра.

Калибрација је неопходна за процену одзива детектора на гравитационе таласе и правилну реконструкцију сигнала. Укључује померање огледала на контролисан начин и мерење резултата. Током ере почетног Вирга, ово се првенствено постизало побуђивањем клатна на којем је огледало обешено помоћу калемова за стварање магнетног поља које делује са магнетима причвршћеним за клатно. Ова техника је коришћена до О2. За О3, примарна метода калибрације била је фотонска калибрација (PCal); она је била секундарна метода за валидацију резултата, користећи помоћни ласер за померање огледала притиском зрачења. Метода позната као Њутнова калибрација (NCal) уведена је крајем О2 ради валидације PCal резултата; она се ослања на гравитацију за померање огледала, постављањем ротирајуће масе на одређеној удаљености од њега. На почетку другог дела О4, Ncal је постао главна метода калибрације јер је показао боље перформансе од PCal-а; PCal се и даље користи за валидацију NCal резултата и испитивање виших фреквенција које су недоступне за NCal.

Инструмент захтева ефикасан систем за прикупљање података који управља подацима измереним на излазу интерферометра и са сензора на локацији, уписујући их у датотеке и дистрибуирајући датотеке за анализу података. За ову сврху развијени су наменски електронски хардвер и софтвер.

Шум и осетљивост

Извори шума

Глич „кои риба” из података LIGO Ханфорд из 2015. године. Врх приказује излаз детектора (деформацију) као функцију времена, а дно фреквенцијску расподелу снаге. Ова врста глича је непознатог порекла и покрива широк фреквентни опсег, са карактеристичним „перајима” на нижим фреквенцијама.

Детектор Вирго је осетљив на неколико извора шума који ограничавају његову способност детекције сигнала гравитационих таласа. Неки имају велике фреквентне опсеге и ограничавају укупну осетљивост детектора, као што су:

• сеизмички шум (свако кретање тла из извора као што су таласи у Средоземном мору, ветар или људска активност), генерално на ниским фреквенцијама до око 10 херца (Hz)
• топлотни шум огледала и њихових жица за вешање који одговара побуђивању огледала или вешања услед сопствене температуре, од неколико десетина до неколико стотина Hz
• квантни шум, који укључује ласерски шум сачме који одговара флуктуацији снаге коју примају фотодиоде и релевантан је изнад неколико стотина Hz, и шум притиска зрачења који одговара притиску ласера на огледало (релевантан на ниској фреквенцији)
• Њутнов шум, изазван сићушним флуктуацијама у Земљином гравитационом пољу које утичу на положај огледала; релевантан испод 20 Hz

Поред ових широких извора шума, други могу утицати на одређене фреквенције. То укључује извор на 50 Hz (и хармонике на 100, 150 и 200 Hz), који одговарају фреквенцији европске електричне мреже; „виолинске модове” на 300 Hz (и неколико хармоника), који одговарају резонантној фреквенцији влакана за вешање (која могу да вибрирају на одређеној фреквенцији, као жице виолине); и калибрационе линије, које се појављују када се огледала померају ради калибрације.

Додатни извори шума могу имати краткорочни утицај; лоше време или земљотреси могу привремено повећати ниво шума. Краткотрајни артефакти могу се појавити у подацима због многих могућих проблема са инструментима, и обично се називају „гличеви”. Процењује се да је око 20 процената детектованих догађаја погођено гличевима, што захтева посебне методе обраде података како би се ублажио њихов утицај.

Осетљивост детектора

Крива осетљивости детектора Вирго од 10 Hz до 10 kHz, израчуната у августу 2011. Њен облик је типичан; топлотни шум клатна за вешање огледала доминира на ниским фреквенцијама, а повећање на високој фреквенцији је последица ласерског шума сачме. Између су резонанције и инструментални шумови, укључујући мрежну фреквенцију од 50 Hz и њене хармонике.

Осетљивост зависи од фреквенције, и обично се представља као крива која одговара спектру снаге шума (или спектру амплитуде, квадратном корену спектра снаге); што је крива нижа, то је осетљивост већа. Вирго је широкопојасни детектор чија се осетљивост креће од неколико Hz до 10 kHz; крива осетљивости Вирга из 2011. године приказана је на лог-лог скали.

Најчешћа мера осетљивости детектора гравитационих таласа је удаљеност домета, дефинисана као удаљеност на којој референтна мета производи однос сигнал-шум од 8 у детектору. Референца је обично бинарна неутронска звезда где обе компоненте имају масу од 1,4 сунчеве масе; удаљеност се обично изражава у мегапарсецима. Домет за Вирго током циклуса О3 био је између 40 и 50 Mpc. Овај домет је показатељ, а не максимални домет детектора; сигнали из масивнијих извора ће имати већу амплитуду и могу се детектовати са веће удаљености.

Прорачуни указују да осетљивост детектора грубо скалира као $\frac{1}{L\times \sqrt{P}}$, где је $L$ дужина шупљине крака, а $P$ снага ласера на разделнику зрака. Да би се побољшала, ове величине морају бити повећане. Ово се постиже дугим крацима, оптичким шупљинама унутар крака како би се максимизирала изложеност сигналу, и рециклажом снаге како би се повећала снага у крацима.

Анализа података

Шаблон:Main Важан део ресурса Вирго колаборације посвећен је развоју и примени софтвера за анализу података дизајнираног за обраду излаза детектора. Поред софтвера за прикупљање података и алата за дистрибуцију података, напори се деле са члановима LIGO и KAGRA колаборација као део сарадње LIGO-Вирго-KAGRA (LVK).

Подаци са детектора су у почетку доступни само члановима LVK. Сегменти података који окружују детектоване догађаје објављују се приликом објављивања повезаног рада, а комплетни подаци се објављују након власничког периода (тренутно 18 месеци). Током трећег посматрачког циклуса (О3), ово је резултирало са два одвојена издања података (О3а и О3б) која одговарају првих и последњих шест месеци циклуса. Подаци су затим генерално доступни на платформи Центра за отворену науку о гравитационим таласима (GWOSC).

Анализа података захтева различите технике усмерене на различите врсте извора. Већина напора посвећена је детекцији и анализи спајања компактних објеката, јединој врсти извора детектованој до сада. Софтвер за анализу обрађује податке у потрази за овом врстом догађаја, а наменска инфраструктура се користи за обавештавање онлајн заједнице. Други напори се спроводе након периода прикупљања података (офлајн), укључујући претраге континуираних извора, стохастичке позадине, или дубљу анализу детектованих догађаја.

Научни резултати

Локализација догађаја GW170814 на небу са два LIGO детектора и комплетном мрежом. Додавање Вирга омогућава прецизнију локализацију.

Шаблон:Further Вирго је први пут детектовао гравитациони сигнал током другог посматрачког циклуса (О2) „напредне” ере; само су LIGO детектори радили током првог посматрачког циклуса. Догађај, назван GW170814, био је спајање две црне рупе. То је био први догађај који су детектовала три различита детектора, што је омогућило знатно побољшану локализацију у поређењу са догађајима из првог посматрачког циклуса. Такође је омогућио прво убедљиво мерење поларизације гравитационих таласа, пружајући доказе против поларизација које нису предвиђене општом теоријом релативности.

Убрзо је уследио познатији GW170817, прво спајање две неутронске звезде које је детектовала мрежа гравитационих таласа и (Шаблон:As of) једини догађај са потврђеном детекцијом електромагнетног парњака у гама зрацима, оптичким телескопима, радио и рендгенским доменима. У Виргу није примећен никакав сигнал, али је ово одсуство било кључно за чвршће ограничавање локализације догађаја, јер омогућава искључивање области неба где би сигнал био видљив у подацима Вирга. Овај догађај, који је укључивао преко 4.000 астронома, побољшао је разумевање спајања неутронских звезда и поставио чврста ограничења на брзину гравитације.

Неколико претрага континуираних гравитационих таласа извршено је на подацима из прошлих циклуса. Претраге циклуса О3 укључују претрагу целог неба, циљане претраге према Шкорпија X-1 и неколико познатих пулсара (укључујући Пулсар у Раковици и Пулсар у Једрима), и усмерену претрагу према остацима супернове Касиопеја А и Вела мл. и према Галактичком центру. Иако ниједна од претрага није идентификовала сигнал, то је омогућило постављање горњих граница за неке параметре; посебно је утврђено да је одступање од савршено ротирајућих сфера за блиске познате пулсаре највише Шаблон:Convert.

Вирго је укључен у најновију претрагу позадине гравитационих таласа са LIGO-ом, комбинујући резултате О3 са циклусима О1 и О2 (који су користили само LIGO податке). Није примећена стохастичка позадина, чиме су побољшана претходна ограничења енергије позадине за ред величине.

Такође су добијене широке процене Хаблове константе; тренутна најбоља процена је 68Шаблон:Su km s⁻¹ Mpc⁻¹, комбинујући резултате из бинарних црних рупа и догађаја GW170817. Овај резултат је конзистентан са другим проценама константе, али није довољно прецизан да реши тренутне дебате о њеној тачној вредности.

Досег и образовање

Вирго колаборација учествује у неколико активности које промовишу комуникацију и образовање о гравитационим таласима за ширу јавност. Један пример активности су вођене туре кроз Вирго објекте за школе, универзитете и јавност; међутим, многе активности се одвијају ван локације Вирго. Ово укључује јавна предавања и курсеве о активностима Вирга и учешће на фестивалима науке, као и развој метода и уређаја за јавно разумевање гравитационих таласа и сродних тема. Колаборација је укључена у неколико уметничких пројеката, у распону од визуелних пројеката као што су „Ритам свемира” (The Rhythm of Space) у Музеју графике у Пизи и „У етеру” (On Air) у Палати Токио до концерата. То укључује активности које промовишу родну равноправност у науци, истичући жене које раде у Виргу у комуникацији са широм јавношћу.

Спољашње везе

• Опис на веб-сајту ЕГО-а Шаблон:Webarchive
• Почетна страница Вирга
• Извештај о техничком дизајну Напредног Вирга