Il progetto VIRGO è presente alla Ludoteca scientifica con uno stand. In esso è possibile comprendere l'obiettivo del progetto attraverso la visione di pannelli, dvd e filmati multimediali interattivi.
Inoltre può essere capito il principio della rivelazione interferometrica con un percorso che partendo dalla comprensione della natura ondulatoria della luce, per mezzo di tre semplici esperimenti che evidenziano la diffrazione da una e due fenditure, e da un ostacolo, arriva all'osservazione delle frange di interferenza in un semplice Michelson da tavolo.

Obiettivi

Il progetto VIRGO nasce da una collaborazione Italo-francese fra l'INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare) ed il CNRS (Centre National de la Recherche Scientifique). L'obiettivo è la rivelazione delle onde gravitazionali emesse da sorgenti astrofisiche fra cui supernovae, stelle di neutroni rotanti, buchi neri.
Le onde gravitazionali sono previste dalla teoria della Relatività Generale di Einstein e consistono in perturbazioni del campo gravitazionale (nel linguaggio della Teoria Generale della Relatività: perturbazioni della metrica dello spazio-tempo) che si propagano alla velocità della luce. Possiamo farcene un'idea immaginandole come increspature sulla superficie di un lago dopo il lancio di un sasso. Esse sono molto deboli ed hanno una bassa interazione con la materia.

Figura 1:
Onde gravitazionali
che si propagano nello spazio
(rappresentazione grafica)

La rivelazione di questi segnali contribuirebbe alla ricerca astrofisica e cosmologica aggiungendosi agli altri canali osservativi oggi utilizzati: onde elettromagnetiche e raggi cosmici. Il vantaggio delle onde gravitazionali è che la loro debole interazione con la materia ne provoca attenuazioni trascurabili durante la propagazione.
Ciò permetterebbe di fare osservazioni di zone al momento nascoste dalle stelle o dalla materia interstellare, come ad esempio gli interni delle galassie.

Figura 2:
Una zona interessante da studiare,
la galassia a spirale NGC 1232

Questa conoscenza permetterebbe di studiare la distribuzione di materia nell'universo, argomento attualmente molto controverso, e contribuirebbe agli studi sulla sua origine ed evoluzione.
In aggiunta, è auspicabile di poter rivelare il background cosmologico di onde gravitazionali emesse durante il Big-Bang.
Ciò fornirebbe una fotografia dell'universo all'istante del disaccoppiamento fra materia e radiazione gravitazionale, e contribuirebbe allo studio dei suoi primissimi momenti di vita.
Viceversa, lo svantaggio delle onde gravitazionali è che la loro debolezza, unita alla bassa interazione con la materia non ha consentito, finora, una rivelazione diretta. Per risolvere il problema il progetto VIRGO sfrutta il metodo dell'interferometria laser.

L'interferometro VIRGO

Le onde gravitazionali possono essere rivelate osservando la variazione della distanza relativa fra due masse libere, indotta dal loro passaggio. Tale variazione è piccola e possiamo farcene un'idea pensando che per distanze relative di pochi chilometri abbiamo variazioni cento milioni di volte più piccole delle dimensioni di un atomo. Questo inconveniente può essere superato se ricorriamo all'interferometria.
L'interferometro VIRGO, situato nella piana di Cascina in provincia di Pisa, è costituito da un Michelson dotato di cavità di ricircolo e braccia costituite da cavità Fabry-Perot, lunghe tre chilometri.

Figura 3: Foto panoramica dell'interferometro VIRGO

Figura 4: Schema ottico dell'interferometro VIRGO

Diamo un cenno al principio di funzionamento.
Il raggio laser, una volta giunto sul beam splitter si scinde in due raggi: uno è il raggio trasmesso, l'altro è quello riflesso. Ciascun raggio percorre la cavità Fabry-Perot del proprio braccio e, tornato al beam splitter, si ricombina con l'altro raggio in opposizione di fase (interferenza distruttiva). Al fotodiodo non arriva pertanto alcun segnale (frangia scura).
L'arrivo di un'onda gravitazionale provoca una variazione della lunghezza dei bracci e pertanto una variazione della distanza relativa fra gli specchi terminali. Ciò determina uno sfasamento fra i due raggi, una volta tornati al beam splitter. Questo sfasamento elimina l'interferenza distruttiva e produce un segnale luminoso rivelato dal fotodiodo. Questo segnale, proporzionale all'ampiezza dell'onda gravitazionale è, purtroppo, sommerso da un'infinità di segnali spuri, dovuti a fenomeni casuali non desiderati: i cosiddetti "rumori".

Figura 5:
Schema del superattenuatore

Occorre mettere in atto tutte quelle strategie finalizzate all'amplificazione del segnale e all'eliminazione ed al controllo dei rumori. Per il primo obiettivo è necessario sapere che la sensibilità dello strumento all'onda gravitazionale è proporzionale alla distanza relativa fra le due masse test (gli specchi terminali). Pertanto si utilizzano cavità Fabry-Perot che, grazie a riflessioni multiple, aumentano la lunghezza effettiva dei bracci da 3 a 95 km. Per il secondo obiettivo diamo un cenno sulle principali sorgenti di rumore e sulle soluzioni adottate.
Innanzitutto, il rumore di misura, legato alla fluttuazione del numero di fotoni che arrivano sul fotodiodo, è abbassato utilizzando la cavità di ricircolo che aumenta la potenza del laser (20W) di un fattore all'incirca 50.
Il rumore sismico provoca movimenti spuri delle componenti ottiche. Pertanto bisogna tenere l'interferometro il più isolato possibile da terra per limitarne al massimo gli effetti. A tal scopo tutte le componenti ottiche sono appese al superattenuatore, formato da un pendolo invertito e da sei pendoli in cascata che costituiscono i filtri sismici.
Inoltre moti di grande ampiezza a bassa frequenza possono essere tenuti sotto controllo da un sistema di feedback che permette di contenere le oscillazioni a valori dell'ordine del micron.
Le fluttuazioni dell'indice di rifrazione provocano fluttuazioni della lunghezza d'onda della luce laser e pertanto sfasamenti in uscita che andrebbero a sommarsi ai segnali di interesse. Per ovviare all'inconveniente tutto il sistema si trova sotto vuoto, con una pressione residua di 10-7 pa.
Altro importante contributo al rumore è quello termico, dovuto alle eccitazioni dei modi termici degli specchi e delle sospensioni.

Prospettive

Si prevede che l'interferometro VIRGO nella sua configurazione finale avrà una banda osservabile compresa fra 10 e 10000Hz. Ciò permetterà la rivelazione di segnali provenienti da supernovae, stelle di neutroni rotanti, buchi neri, coalescenze di sistemi binari formati da stella-stella, stella-buco nero, buco nero-buco nero.
Per farci un'idea delle distanze che potremmo coprire con l'osservazione delle onde gravitazionali, ricordiamo che VIRGO prende nome dall'ammasso di galassie omonimo, distante circa 450 milioni di milioni di milioni di chilometri, e dal quale ci si aspetta di rivelare segnali. Inoltre, a differenza di un telescopio, un rivelatore interferometrico di onde gravitazionali può rivelare segnali da ogni direzione ad ogni istante.
VIRGO sarà in funzione giorno e notte, accumulando 4 milioni di bytes per secondo di dati. Questi provengono sia dal canale principale dell'interferometro, sia dai vari canali necessari al suo controllo.
Questa enorme quantità di dati verrà messa a disposizione della comunità scientifica per l'attività di analisi.