De "Virgo-interferometer" is een grootschalig experiment dat zwaartekrachtgolven detecteert. Het bevindt zich in Santo Stefano a Macerata dicht bij Pisa (stad), Italië. De detector - een Michelson-interferometer - bestaat uit twee armen die drie kilometer lang zijn waar binnenin al zijn spiegels en instrumentatie zich bevinden in een ultra-hoog vacuüm.
Virgo wordt geleid door het European Gravitational Observatory (EGO), een consortium opgericht door het Franse Centre national de la recherche scientifique (CNRS) en het Italiaanse Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN). Het Virgo-samenwerkingsverbond houdt zich bezig met de detector te bedienen en de strategie en het beleid voor diens gebruik en de volgende verbeteringen te plannen. Het verbond is opgemaakt uit meer dan 850 personen komende uit 16 landen. De Virgo-interferometer werkt samen met andere gelijkaardige detectoren, waaronder de twee Ligo-interferometers in de Verenigde Staten en de Japanse interferometer Kamioka Gravitational Wave Detector (Kagra). Die samenwerking tussen de verschillende experimenten is uitermate belangrijk voor het detecteren van zwaartekrachtgolven, meerbepaald om hun locatie aan het hemelgewelf te achterhalen. De Ligo- en Virgo-verbonden delen hun data al sinds 2007 en met Kagra sinds 2019, wanneer het LIGO-Virgo-Kagra-samenwerkingsverbond (LVK) werd opgericht.
Het instrument is vernoemd naar de Virgocluster, een cluster die ongeveer 1500 sterrenstelsels bevat in het sterrenbeeld Maagd (sterrenbeeld) en zich ongeveer 50 miljoen lichtjaar bevindt van de aarde. Virgo werd bedacht en gebouwd terwijl zwaartekrachtgolven nog enkel een theoretische voorspelling waren van de algemene relativiteitstheorie. Het project werd eerst goedgekeurd in 1992 en de bouw ervan werd voltooid in 2003. Na verscheidene jaren van continue verbeteringen werd het instrument offline gehaald in 2011 voor de "Advanced Virgo"-upgrades. In 2015 konden de twee Ligo-detectoren voor het eerst rechtstreeks zwaartekrachtgolven waarnemen, terwijl de Virgo-interferometer nog verbeterd werd. Virgo kon zijn waarnemingen hervatten in het begin van augustus 2017, waar die samen met de Ligo-detectoren op 14 augustus zijn eerste zwaartekrachtgolf observeerde, GW170814 . Snel hierna volgde de observatie van GW170817, de enige zwaartekrachtgolf tot nu toe die ook werd geobserveerd via klassiekere methodes door licht-, gammastraling-, Röntgenstraling- en radiogolf-telescopen. De interferometer wordt samen met de andere zwaartekrachtgolfdetectoren van het LVK-verbond gebruikt in observatieperiodes waar die experimenten tezamen de hemel observeren. Die periodes worden afgewisseld met inbedrijfstellingperiodes waar de detector wordt verbeterd om zo diens gevoeligheid en wetenschappelijke output te verhogen.
Structuur Het Virgo-project wordt uitgevoerd door het European Gravitational Observatory (EGO)-consortium dat het levenslicht zag in december 2000 toen het Centre national de la recherche scientifique (CNRS) en het Instituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) een overeenkomst tekenden om samen het consortium op te starten. Nikhef, het (Nederlandse) Nationaal instituut voor subatomaire fysica, deed later mee, eerst als observer en later als een volwaardig lid van het consortium. Ego is verantwoordelijk voor de Virgo-site en voor de ingebruikstelling, onderhoud en dagdagelijkse werking van de detector en die te verbeteren. Door metonymie spreekt men soms over Ego als men de site bedoelt, omdat het hoofdkwartier van de organisatie zich ook daar bevindt. Een van de doelen van Ego is om onderzoek naar zwaartekracht in Europa te stimuleren. Het totale EGO-budget fluctueert tussen negen en elf en een half miljoen euro per jaar (periode 2018-2024) waarmee 60 mensen worden tewerkgesteld.
Het Virgo-samenwerkingsverbond bestaat uit onderzoekers die werken aan alle verschillende facetten van het instrument. Ongeveer 880 leden uit 182 instituten van 21 landen maakten deel uit van de organisatie in oktober 2024. Er zijn instituten aangesloten vanuit Frankrijk, Italië, Nederland, Polen, Spanje, België, Duitsland, Hongarije, Portugal, Griekenland, Tsjechië, Denemarken, Ierland, Monaco, Zwitserland, Brazilië, Burkina Faso, China, Israël, Japan en Zuid-Korea.
Het verbond zelf is deel van de grotere "LIGO-Virgo-KAGRA Collaboration (LVK)" die allerlei wetenschappers van alle andere relevante zwaartekrachtgolfexperimenten samenbrengt om samen elkaars data te analyseren. Deze manier van werken is cruciaal voor de detectie van zwaartekrachtgolven. LVK werd opgestart in 2007 als de "LIGO-Virgo Collaboration" en werd uitgebreid in 2019 wanneer Kagra erbij kwam.
Wetenschappelijke verantwoording Virgo werd bedacht om specifiek te kunnen zoeken naar zwaartekrachtgolven die uitgezonden worden door astrofysische bronnen in het Universum. Zo'n bronnen kunnen in het algemeen onderverdeeld worden in drie verschillende types:
Vergankelijke bronnen, waarbij de golf maar detecteerbaar is voor korte duur. De meest relevant bronnen in deze categorie zijn samensmeltingen van samenkomende en erg compacte dubbelzwartegaten (of dubbelneutronensterren) die een snel groeiend signaal uitzenden dat enkel observeerbaar is tijdens de allerlaatste seconden voor de uiteindelijke samensmelting van beide objecten. Andere mogelijke bronnen van vergankelijke zwaartekrachtgolven zijn supernova's, een compact astrofysisch object, zoals een neutronenster, in onbalans of meer exotische bronnen zoals kosmische snaren, niet te verwarren met snaren uit de snaartheorie die andere eigenschappen bevatten. Aanhoudende bronnen zenden een signaal uit dat mogelijk observeerbaar is gedurende een lange tijd. In deze categorie is één specifieke bron de grote boosdoener, namelijk heel snel ronddraaiende neutronensterren, pulsars genaamd, die zwaartekrachtgolven kunnen uitzenden wanneer ze niet perfect bolvormig zijn, bijvoorbeeld wanneer er kleine "bergen" ontstaan op hun oppervlak. Achtergrond van zwaartekrachtgolven, vergelijkbaar met de kosmische achtergrondstraling, is continu aanwezig en afkomstig van een diffuus aantal regio's in het hemelgewelf i.p.v. één specifieke bron. De achtergrond bestaat uit een groot aantal onscheidbare bronnen komende uit de hiervoor vermelde categorieën of ontstaan uit een bron die zich situeert tijdens de allereerste momenten van het Universum net na de oerknal. Het detecteren van die bronnen via zwaartekrachtgolven zou een nieuwe manier zijn om ze te observeren - meestal met complementaire informatie t.o.v. de klassiekere methodes zoals telescopen - en ook om fundamentele eigenschappen van de zwaartekracht te achterhalen, zoals de polarisatie (natuurkunde) van zwaartekrachtgolven, het mogelijke bestaan van zwaartekrachtlensen of vaststellen dat de geobserveerde signalen overeenkomen met de voorspellingen van de algemene relativiteitstheorie. Zwaartekrachtgolven verschaffen ook een nieuwe manier om de Hubbleconstante te meten.
Geschiedenis Het Virgo-project werd bekostigd in 1992 door het Franse CNRS and het jaar daarop door het Italiaanse INFN. De bouw van de detector begon in 1996 in Santo Stefano a Macerata in Cascina, in de buurt van Pisa (stad), Italië en werd vervolledigd in 2003. Na verscheidene observatieperiodes waarbij geen enkele zwaartekrachtgolf werd geobserveerd, werd de interferometer in 2011 uitgeschakeld om verschillende upgrades te installeren zodat Virgo kon verbeterd worden tot het Advanced Virgo-project. Daarna, in 2017, herbegon de detector met zijn observaties en werd er al snel de allereerste zwaartekrachtgolf gezien tezamen met de Ligo-detectoren.
Ontstaan Hoewel de idee van zwaartekrachtgolven al werd uitgeschreven door Albert Einstein in 1916, bleven projecten om ze te detecteren uit tot in de jaren zeventig. De eerste persoon die zich ermee bezighield, was Joseph Weber die Weber-staven uitvond. Die staven konden in theorie zwaartekrachtgolven observeren, maar geen enkel uitgevoerd experiment heeft ze ooit echt gezien. Toch creëerde hun aanwezigheid wel het momentum dat nodig was om onderzoeksgroepen op te starten die zich toespitsten op zwaartekrachtgolven.
Het bouwen van een grote interferometer kwam op stoom tijdens de jaren tachtig. Dan bedacht de Italiaanse wetenschapper Adalberto Giazzo samen met de Franse onderzoeker Alain Brillet in 1985 het Virgo-project tijdens een meeting in Rome (stad). Een belangrijk uitgangspunt voor Virgo t.o.v. andere detectoren was de focus op het observeren van lagere frequenties rond 10 Hz. De meeste andere projecten probeerden hogere frequenties te onderzoeken, rond 500 Hz. Velen waren echter toen onzeker of dat dergelijke observaties op lage frequenties mogelijk waren en enkel Frankrijk en Italië konden overtuigd worden om geld te geven aan het Virgo-project, wat voor het eerst werd voorgesteld in 1987.
De naam 'Virgo' werd kort daarna aangenomen als referentie naar de Virgocluster, wat het doel van het project symboliseert om zwaartekrachtgolven te detecteren komende van voorbij de eigen Melkweg. Na de goedkeuring van CNRS en INFN begon de constructie van het experiment in 1996, zodat er in 2000 metingen konden worden genomen.
De eerste ambitie van Virgo was om zwaartekrachtgolven te meten die al indirect geobserveerd waren door een drie decennia lang durende studie van PSR B1913+16, waar een gemeten afname van de omlooptijd (astronomie) van een dubbelster bestaande uit pulsars helemaal overeenkwam met de voorspellingen dat zo'n systeem zijn energie verloor a.d.h.v. zwaartekrachtgolven.
De eerste fase van de Virgo-detector De Virgo-detector werd gebouwd, inbedrijfgesteld en bediend gedurende de jaren 2000 en bereikte uiteindelijk zijn gewenste gevoeligheid. Dit bekrachtigde de keuzes gemaakt bij het ontwerpen van de detector en toonde aan dat grote interferometers de mogelijkheid hadden om zwaartekrachtgolven te observeren over een groot frequentiebereik. Deze fase in het ontwerp van de detectors wordt ook wel "initial Virgo" of "original Virgo" genoemd.
De eerste fase was af in juni 2003 en verscheidene science runs ("wetenschappelijke observatieperiodes") volgden tussen 2007 en 2011, waarbij metingen werden uitgevoerd. Daarna volgde een nieuwe inbedrijfstelling van vier jaar, waar verschillende verbeteringen werden geïnstalleerd. Enkele van die observatieperiodes werden uitgevoerd tezamen met de Ligo-detectoren die gebouwd zijn in Hanford Site, Washington (staat) en Livingston (Louisiana). Na een aantal maanden in 2010 werd Virgo afgezet voor een geplande upgrade van zijn ophangingssysteem waarbij de oorspronkelijke stalen ophangingsdraden werden vervangen door glasvezel om thermische ruis in het experiment te verminderen. Zelfs met dit verbeterd ophangingssysteem en na meerdere maanden van metingen werden er geen zwaartekrachtgolven gedetecteerd. De detector werd dan helemaal uitgeschakeld in september 2011 voor een significante upgrade, namelijk de installatie van Advanced Virgo.
Advanced Virgo-detector alt=|miniatuur|Allereerste rechtstreekse observatie van een zwaartekrachtgolf in Virgo op 14 augustus 2017 (GW170814)De Advanced Virgo-detector wou de gevoeligheid (en dus de afstand tot waar een signaal geobserveerd kan worden) van het experiment 10 maal verhogen om zo een volume in het universum te bekijken dat 1000 keer groter is, waardoor het observeren van zwaartekrachtgolven waarschijnlijker werd. Dit deel van het project teerde op de verworven ervaringen in de eerste fase van het experiment en een aantal technologische verbeteringen.