Virgo （バーゴ、またはヴィルゴ、ヴァーゴ）は、一般相対性理論 によって予測される重力波 を検出するために設計された大型マイケルソン干渉計 。外部の妨害から隔離するため、ミラーと装置は吊り下げられ、レーザー光線 は真空 中で操作される。長さ3 キロメートルの2本のアームは、イタリア のピサ 近郊のサントステファノ・ア・マセラータに位置している。
Virgoは、イタリア、フランス、オランダ、ポーランド、ハンガリー、スペインの6か国の研究所による科学的コラボレーションの一部である。アメリカ ・ワシントン州 のハンフォード・サイト とルイジアナ州リビングストン にある2つのLIGO 干渉計を含む、Virgoと同様の他の大型干渉計は、いずれも重力波を検出するという同じ目標を持っている。 2007年以降、VirgoとLIGOは、それぞれの検出器で記録されたデータを共有して共同で解析し、その結果を共同で発表することに同意している[ 1]
Virgoは、地球 からおとめ座 の方向約5000万年の距離にあり、約1,500個の銀河からなるおとめ座銀河団 にちなんで命名された。地上には検出可能な信号を出すほど強力な重力波の重力波源がないため、Virgoは必ず宇宙からの重力波を観測することとなる。検出器の感度が高ければ高いほど、重力波をより遠くまで観ることができ、その結果として潜在的な発生源の数が増加します。これは、Virgoが非常に敏感に反応する激烈な現象（コンパクト星 の連星系や中性子星 、ブラックホール の合体、 超新星 爆発など）がまれな現象であることと関連している。Virgoが観測する銀河が多いほど、重力波が検出される確率が高くなる。
Virgoプロジェクトは、1993年にフランスのCNRS に、1994年にはイタリアのINFNに承認された。 検出器の建設は、1996年にイタリアのピサ 近郊のカーシナ サイトで開始された。
2000年12月[ 2] 重力 に関する調査と研究を促進することでもある。2015年12月までに、19の研究所とEGOがVirgoの共同研究メンバーとなった。
2000年代には、「初期の」Virgo検出器が、建設・試運転・運用された。 装置は、重力波信号に対する設計上の感度に達した。この長期的な努力は、Virgoを造るためになされた技術的選択が検証されることを可能とした。それはまた、巨大な干渉計が広い周波数帯域の重力波を検出するために有望な装置であることを示した[ 3] [ 4]
最初のVirgo検出器の建設は2003年6月に完了し[ 5] [ 6] Advanced Virgo と呼ばれる第二世代検出器への長いアップグレードが始まった。その目的は、初期のVirgo検出器よりも感度を1桁向上させることで、これにより1,000倍の宇宙空間を探査し、重力波の検出をより可能とすることであった。
Advanced Virgoは2016年に試運転を開始し、2017年5月と6月の最初の「エンジニアリング」観測期間のために2つのAdvanced LIGO検出器（「aLIGO」）に参加し[ 7] LIGO とVirgoは、2017年9月27日に報告された信号GW170814 を検出した。これは、LIGOとVirgoの両方によって検出された最初の連星ブラックホールの合体であった[ 8]
Virgoサイトの空撮。中央の建物、モードクリーナーの建物、全長3 kmの西側の腕、北側の腕の始まり（右側）が写されている。その他の建物には、オフィス、ワークショップ、ローカルコンピューティングセンター、干渉計制御室などがある。この写真が撮影されたとき、プロジェクト管理部門が入る建物と食堂はまだ建設されていなかった。 Virgoの第一の目標は、アルバートアインシュタイン の一般相対性理論 から予測される重力波 を直接観測することである[ 9] ノーベル物理学賞 の授賞対象となった連星パルサー PSR B1913+16 の30年間にわたる研究は、重力波の存在の間接的に証明することができた。この連星パルサーの公転周期の経時変化は、連星系が重力波を放出することでエネルギーを失っているとする仮説と見事に一致している[ 10] マイクロ秒 ずつ減少している）、2つのコンパクト星は毎年約3メートル ずつ接近しており、約3億年後に合体するはずである。しかし、Virgoのような検出器で捉えることができるほどの強い重力波は、その特定の宇宙衝突の直前の最後の瞬間だけ生成される。連星パルサーB1913+16の進化に関するこの理論的なシナリオは、同様の連星系からの重力波を直接検出することで確認される。これが、VirgoやLIGOなどの巨大干渉検出器の主な目標である。
重力波を発見するという第一の目標を達成した後、長期的には、現在の望遠鏡や検出器とは異なる、補完的な視点で宇宙を観測することによって、天文学の新しい分野の誕生の一翼を担うことを目指している。重力波によってもたらされる情報は、電磁スペクトル（ マイクロ波 、 電波 、 赤外線 、 可視スペクトル 、 紫外線 、 X線 、 ガンマ線 ）、宇宙線 、ニュートリノ の研究によって提供される情報に追加される。重力波の検出を、天球上の可視で局所的なイベントと互いに関連付けるため、LIGOとVirgoのコラボレーションは、潜在的な重力波信号が観測されたことを数日または数時間のタイムスケールで迅速に通知するために、望遠鏡を運用する多くの研究チームとの間に相互協定を締結している。信号源が仮に本物であれば、ごく短い時間しか観測できないかもしれないため、これらの信号が本物であるかどうかを判別される前に送信されなければならない。
一般相対論において、重力波は光速で伝播する時空 の摂動である。それは時空をわずかに湾曲させ、局所的に光路 を変化させる。数学的に言えば、到来する重力波の振幅 （小さいと仮定）を
h
{\displaystyle h}
Virgoのような重力波懸垂干渉検出器の基本的なスキーム。
Virgoはミラーが吊り下げられたマイケルソン干渉計である。レーザーは、45度傾いたビームスプリッター によって2つのビームに分割される。2つのビームは、干渉計の互いに垂直な2本のアームを伝搬し、アームの端にあるミラーで反射されてビームスプリッターで再結合し、 フォトダイオード で検出される干渉 を生成させる。 入射してくる重力波によって、アーム内のレーザー光の光路が変化し、フォトダイオードによって記録される干渉パターンが変化する。
このように、潜在的な重力波によって誘起された信号は、干渉計の出力で検出される光強度の変動に「埋め込まれて」いる[ 12] ノイズ と呼ばれるいくつかの外的要因が、干渉パターンを永続的かつ大きく変化させている。それらを除去したり軽減するために何もしなければ、期待された物理信号はノイズに埋もれてしまい、検出できないままとなってしまう。このように、VirgoやLIGOのような検出器の設計では、測定に影響を与える可能性のあるすべてのノイズ源の詳細なインベントリが必要としており、可能な限りノイズを低減するための強力で継続的な努力が必要とされる[ 13] [ 14]
周波数帯におけるVirgo検出器の感度曲線[10 Hz; 10 kHz]、2011年8月に計算された“Virgo Sensitivity Curves ” (2011年). 1 December 2015時点のオリジナル よりアーカイブ。15 December 2015 閲覧。 その形状は典型的である：ミラーサスペンション振り子モードの熱雑音が低周波で支配的である一方、高周波数での増加はレーザーショットノイズによるものである。これらの2つの周波数帯の間で、これらの基本的なノイズに重畳されて、1つは継続的に削減しようとしている様々な装置ノイズ（中でも電力網とその高調波からの50 Hzの周波数）からの貢献などの共振（例えば、サスペンションワイヤーバイオリンモード）を見ることができる。 Virgoのような検出器は、感度、すなわち装置が検出できる最小の信号についての情報を提供する性能指数によって特徴付けられる。感度の値が小さいほど、より良い検出器と言える。各ノイズが独自の周波数範囲を持つため、感度は周波数 によって異なる。たとえば、Advanced Virgo検出器の感度は最終的に次のように制限されることが予想される[ 14]
約10 ヘルツ (Hz) までの低周波数の地震ノイズ（地中海の波、風、日中の交通など人間の活動、など）
数十 Hzから数百 Hzまでの、ミラーとそのサスペンションワイヤから生じる熱ノイズ。
数百Hzを超えるレーザーショットノイズ 。 Virgoは、数 Hzから10 kHzまでの感度を持つ広帯域検出器である。数学的に言えば、その感度は、検出器によって記録されたデータを使用してリアルタイムで計算されるパワースペクトル によって特徴付けられる。 反対側の曲線は、2011年のVirgoの振幅スペクトル密度（パワースペクトルの平方根）の例を示しており、両対数グラフ にプロットしたものである。
単一の光共振器ではなく干渉計を使用することで、重力波に対する検出器の感度を大幅に向上させることができる[ 15] 横切る 平面内の重力波によって誘起される微分効果の恩恵を受ける。光路の長さ
L
{\displaystyle L}
初代Virgo検出器の光学構成。 回路図では、さまざまな光共振器内に蓄積された電力の大きさのレベルを読み取ることができる。
Virgoのミラーは、真空下で、地震の振動を大幅に減衰させる機械構造によって支えられている。 「Superattenuator」は、上部プラットフォームから吊り下げられた振子の チェーンで構成され、地面に固定された3つの長い柔軟な脚で支えられている。技術的には、 倒立振子 と呼ばれる。このようにして、10 Hzを超える地震振動は1012 倍以上低減され、ミラーの位置は非常に注意深く制御される。 上空から見ると、Virgo検出器は、3 kmの長さの2本の垂直アームを持つ特徴的な「L」字型をしている。 アームの「トンネル」には、レーザー光が超高真空下で移動する直径120 センチメートルの真空パイプが収納されている。光と入射する重力波との相互作用を高めるために、各アームにはファブリ・ペロー光共振器が設置されており、レーザー光源とビームスプリッターの間の装置入口には「リサイクルミラー」と呼ばれるミラーが設置されている。
Virgoは10 Hzから10,000 Hzに至る広い周波数範囲の重力波に感度を持つ。検出器の主なコンポーネントは次のとおり。
レーザー [ 18] [ 19] [ 20] アーム空洞内の大きなミラー [ 21] [ 22] [ 23]
ミラーまで伝搬してミラーを揺らし、潜在的な重力波信号を不明瞭にする地震ノイズを軽減するために、大型ミラーは複雑なシステムで吊り下げられている。すべてのメインミラーは、一連の減衰器に取り付けられている4本のガラス繊維[ 24] [ 25]
Virgoは、総体積は6,800立方メートルの、欧州最大の超高真空 設備である[ 26] 大気 の1兆分の1まで減圧されており、残留空気分子がレーザーの光路を妨げることはない。アームの超高真空を壊すことなく、ミラー真空塔で作業できるように、アームの両端に大きなゲートバルブが配置されている。実際、Virgoの2本のアームは2008年以来真空下に保たれている[ 27]
初期のVirgo検出器は、2007年から2011年まで行われた4回の科学実験中に科学的なデータを記録した [ 28] [ 29] [ 30]
Virgoが初めて直接検出した重力波、GW170814 。 Advanced Virgoは、最初のVirgoの10倍の感度を目指している [ 31] クライオトラップ を配置するVirgoと同じ真空のインフラストラクチャを維持している。しかし、干渉計の残りの部分は大幅にアップグレードされた。新しいミラーは、直径350 ミリメートル 、重量40 キログラム と大型化され、光学性能も改善されている[ 20] 鏡面収差 をその場で 補正 するために、補償光学 システムが設置された 。最終的なAdvanced Virgoの構成では、レーザー出力は200 Wとなる。
新しい検出器の設置によって、2017年にAdvanced Virgoのマイルストーンが達成された。数か月の試運転を経た2017年の後半には、LIGOとの最初の共同科学実験が開始された。
Virgoによる重力波の最初の検出はGW170814 として知られている。これは2017年9月27日にイタリアのトリノで開催されたG7科学会議で発表された[ 32] [ 8]
この数日後、2017年8月17日にGW170817 がLIGO とVirgoによって検出された。この重力波は、2つの中性子星 がらせんを描きながら互いに接近して最後に合体する最後の数分間に生成されたもので、非重力的な手段によって確認された最初の重力波観測となった。
更なるアップグレードの後、Virgoは2019年4月に 「O3」観測を開始し、これは1年間続く予定で、その後さらにアップグレードが予定されている[ 33]
Virgoサイトの概要。
Virgo検出器の航空写真。
Virgoの北側アームの開始点。右手前の中央の建物。
3 キロメートルの長さのVirgo北腕。
Virgoサイト。手前には、検出器制御室とローカルコンピュータセンターがある建物がある。
レーザーとビームスプリッターミラーをホストするVirgoの中央の建物。
3 キロメートルの長さのVirgo西腕（右パイプ）。左側の150 メートルの長さのチューブは、レーザービームを空間的にフィルター処理するために使用されるモードクリーナーキャビティをホストする。
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