Войти
 | |
 Члены-основатели Члены с присоединением | |
| Девиз | Слушать космическое Whper |
|---|---|
| Формация | 1993 |
| Тип | Международное научное сотрудничество |
| Цель | Обнаружение гравитационных волн |
| Штаб-квартира | Европейская гравитационная обсерватория |
| Местоположение | |
| Координаты | 43 ° 37′53 ″ N 10 ° 30′16 ″ E / 43,6313 ° N 10,5045 ° E / 43,6313 ; 10,5045 Координаты : 43 ° 37′53 ″ N 10 ° 30′16 ″ E / 43,6313 ° N 10,5045 ° E / 43,6313; 10.5045 |
| Регион | Италия |
| Поля | Базовые исследования |
| Членство | CNRS (Франция ), INFN ( Италия), NIKHEF (Нидерланды), POLGRAW (Польша), RMKI (Венгрия) и Испания |
| Официальный представитель | Джованни Лосурдо |
| Принадлежности | LVC (LIGO Scientific Collaboration и Virgo Collaboration) |
| Бюджет | Около десяти миллионов евро в год |
| Персонал | Более 320 человек участвуют в эксперименте с Девой |
| Веб-сайт | www.virgo-gw.eu |
Интерферометр Девы - это большой интерферометр, предназначенный для обнаружения гравитационных волн, предсказанных общая теория относительности. Virgo - это интерферометр Майкельсона, который изолирован от внешних помех: его зеркала и приборы подвешены, а его лазерный луч работает в вакууме. Две руки инструмента имеют длину три километров и расположены в Санто-Стефано-а-Мачерата, недалеко от города Пиза, Италия.
Дева - часть научного сотрудничества лабораторий из шести стран: Италии, Франции, Нидерландов, Польши, Венгрии и Испании. Другие интерферометры, подобные Virgo, преследуют ту же цель по обнаружению гравитационных волн, включая два интерферометра LIGO в Соединенных Штатах (на Хэнфордской площадке и в Ливингстоне, Луизиана ). С 2007 года Virgo и LIGO договорились обмениваться и совместно анализировать данные, зарегистрированные их детекторами, и совместно публиковать свои результаты. Поскольку интерферометрические детекторы не являются направленными (они исследуют все небо), и они ищут сигналы, которые являются слабыми, нечастыми, одноразовыми событиями, одновременное обнаружение гравитационной волны несколькими приборами необходимо для подтверждения достоверности сигнала и вывода угловое направление его источника.
Интерферометр назван в честь скопления Девы, состоящего примерно из 1500 галактик в созвездии Девы, около 50 миллионов световых лет. с Земли. Поскольку ни один земной источник гравитационной волны не является достаточно мощным, чтобы произвести обнаруживаемый сигнал, Дева должна наблюдать Вселенную. Чем более чувствителен детектор, тем дальше он может видеть гравитационные волны, что увеличивает количество потенциальных источников. Это актуально, так как Дева потенциально чувствительна к сильным явлениям (слияние компактной двойной системы, нейтронных звезд или черных дыр ; взрыв сверхновой и т. Д.) Встречаются редко: чем больше галактик исследует Дева, тем больше вероятность обнаружения.
Проект «Дева» был одобрен в 1993 г. французским CNRS и в 1994 г. итальянским INFN, двумя институтами, положившими начало эксперименту. Строительство детектора началось в 1996 году на участке Cascina недалеко от Пизы, Италия.
В декабре 2000 года CNRS и INFN создали Европейскую гравитационную обсерваторию (консорциум EGO), к которой позже присоединились Нидерланды, Польша, Венгрия и Испания. EGO отвечает за сайт Девы, отвечает за строительство, обслуживание и эксплуатацию детектора, а также за его модернизацию. Целью EGO также является содействие исследованиям гравитации в Европе. К декабрю 2015 года 19 лабораторий плюс EGO были членами коллаборации Virgo.
В 2000-х годах детектор Virgo был построен, введен в эксплуатацию и эксплуатировался. Прибор достиг проектной чувствительности к сигналам гравитационных волн. Это первоначальное усилие было использовано для подтверждения выбора технического дизайна Девы; и он также продемонстрировал, что гигантские интерферометры являются многообещающими устройствами для обнаружения гравитационных волн в широком диапазоне частот. Строительство детектора Initial Virgo было завершено в июне 2003 года, и в период с 2007 по 2011 год последовало несколько периодов сбора данных. Некоторые из этих запусков были выполнены одновременно с двумя детекторами LIGO. Первоначальный детектор Virgo записывал научные данные с 2007 по 2011 год в ходе четырех научных прогонов. В 2010 году была остановлена на несколько месяцев, чтобы позволить крупную модернизацию системы подвески Virgo: стальные тросы оригинальной подвески были заменены на стекловолокно, чтобы уменьшить тепловой шум. После нескольких месяцев сбора данных с этой окончательной конфигурацией, первоначальный детектор Virgo был отключен в сентябре 2011 года, чтобы начать установку Advanced Virgo.
.
Первое прямое обнаружение гравитационной волны Девы, GW170814 Однако первоначальный детектор Девы не был достаточно чувствительным, чтобы обнаруживать такие гравитационные волны. Поэтому в 2011 году он был выведен из эксплуатации и заменен усовершенствованным детектором Virgo, цель которого - увеличить его чувствительность в 10 раз, что позволит ему исследовать объем Вселенной в 1000 раз больше, что повысит вероятность обнаружения гравитационных волн. Первоначальный детектор обычно называют «изначальной Девой» или «изначальной Девой». В усовершенствованном детекторе Virgo используется опыт, накопленный при работе с первоначальным детектором, и технологические достижения с момента его создания.
Advanced Virgo начала процесс ввода в эксплуатацию в 2016 году, присоединившись к двум усовершенствованным детекторам LIGO («aLIGO») для первого «технического» периода наблюдений в мае и июне 2017 года. 14 августа 2017 года LIGO, и Дева обнаружила сигнал GW170814, о котором было сообщено 27 сентября 2017 года. Это было первое слияние бинарных черных дыр, обнаруженное LIGO и Virgo.
Продвинутая Дева в 10 раз более чувствительна, чем изначальная Дева. Согласно отчету о техническом проектировании Advanced Virgo VIR – 0128A – 12 за 2012 г., усовершенствованная Virgo использует ту же вакуумную инфраструктуру, что и Virgo, с четырьмя дополнительными криоламперами, расположенными на обоих концах обоих трехкилометровых рычагов для захвата остаточные частицы, исходящие из зеркальных башен, но остальная часть интерферометра была значительно модернизирована. Новые зеркала стали больше (диаметр 350 мм, вес 40 кг), а их оптические характеристики были улучшены. Критические оптические элементы, используемые для управления интерферометром, находятся под вакуумом на подвесных столах. Должна была быть установлена система адаптивной оптики для исправления зеркальных аберраций на месте. В окончательной конфигурации Advanced Virgo мощность лазера составит 200 Вт.
Важным этапом для Advanced Virgo стала установка нового детектора в 2017 году. Первый совместный научный запуск с LIGO во второй половине 2017 года начался после периода ввода в эксплуатацию в несколько месяцев.
Первое обнаружение гравитационных волн Девой, известное как GW170814, было объявлено 27 сентября 2017 года на научной конференции G7 в Турине, Италия.
Просто несколько дней спустя GW170817 был обнаружен LIGO и Virgo 17 августа 2017 года. GW был создан на последних минутах двух нейтронных звезд спирали ближе друг к другу и, наконец, слияние, и это первое наблюдение ГВ, которое было подтверждено негравитационными методами.
После дальнейших обновлений Дева начала серию наблюдений "O3" в апреле 2019 года, она продлится один год, а затем последуют дальнейшие обновления.
Вид с воздуха на место Эксперимент Девы, показывающий центральное здание, здание Mode-Cleaner, полный 3-километровый западный рукав и начало северного рукава (справа). Другие здания включают офисы, мастерские, местный вычислительный центр и комнату управления интерферометрами. Когда была сделана эта фотография, здание, в котором размещалось управление проектом, и столовая еще не были построены. Первая цель Девы - непосредственно наблюдать гравитационные волны, прямое предсказание Альберта Общая теория относительности Эйнштейна. Изучение двойного пульсара 1913 + 16 в течение трех десятилетий, открытие которого было удостоено Нобелевской премии по физике 1993 года, привело к косвенным свидетельствам существования гравитационных волн. Наблюдаемая эволюция орбитального периода этого двойного пульсара во времени полностью согласуется с гипотезой о том, что система теряет энергию из-за излучения гравитационных волн. Движение вращения ускоряется (его период, который, как сообщалось в 2004 году, составлял 7,75 часа, уменьшается на 76,5 микросекунд в год), и две компактные звезды приближаются примерно на три метра каждый год. Они должны слиться примерно через 300 миллионов лет. Но только самые последние моменты, предшествующие этому конкретному космическому столкновению, будут генерировать гравитационные волны, достаточно сильные, чтобы их можно было увидеть в детекторе, таком как Дева. Этот теоретический сценарий эволюции Binary Pulsar B1913 + 16 будет подтвержден прямым обнаружением гравитационных волн от подобной системы, что является основной целью гигантских интерферометрических детекторов, таких как Virgo и LIGO.
Долгосрочная цель, после достижения основной цели открытия гравитационных волн, Дева стремится стать частью зарождения новой отрасли астрономии, наблюдая Вселенную с другой и дополнительной точки зрения, чем нынешние телескопы и детекторы.. Информация, приносимая гравитационными волнами, будет добавлена к информации, полученной при исследовании электромагнитного спектра (микроволны, радиоволны, инфракрасные, видимый спектр, ультрафиолет, рентгеновские лучи и гамма-лучи ), космические лучи и нейтрино. Чтобы связать обнаружение гравитационных волн с видимыми и локализованными событиями в небе, коллаборации LIGO и Virgo подписали двусторонние соглашения со многими командами, работающими с телескопами, чтобы быстро информировать (в масштабе нескольких дней или нескольких часов) этих партнеров, что наблюдается потенциальный сигнал гравитационной волны. Эти предупреждения должны быть отправлены до того, как станет известно, является ли сигнал реальным или нет, потому что источник (если он реальный) может оставаться видимым только в течение короткого промежутка времени.
В общей теории относительности гравитационная волна - это пространство-время возмущение, которое распространяется со скоростью света. Затем он слегка искривляет пространство-время, что локально меняет путь света. С математической точки зрения, если 
с 
Базовая схема интерферометрического детектора на подвеске гравитационных волн, такого как Virgo (ярлыки на французском языке) Virgo - это интерферометр Майкельсона, зеркала которого подвешены. лазер разделяется на два луча светоделителем , наклоненным на 45 градусов. Два луча распространяются в двух перпендикулярных плечах интерферометра, отражаются зеркалами, расположенными на концах плеч, и рекомбинируются на светоделителе, создавая помехи , которые обнаруживаются фотодиодом . Поступающая гравитационная волна изменяет оптический путь лазерных лучей в плечах, что затем приводит к изменению интерференционной картины, регистрируемой фотодиодом.
Таким образом, сигнал, индуцированный потенциальной гравитационной волной, «внедряется» в вариации интенсивности света, обнаруживаемые на выходе интерферометра. Тем не менее, несколько внешних причин - глобально обозначаемых как шум - постоянно и значительно меняют картину интерференции. Если ничего не предпринять для их устранения или смягчения, ожидаемые физические сигналы будут погребены в шуме и останутся необнаруживаемыми. Таким образом, конструкция детекторов, таких как Virgo и LIGO, требует подробного учета всех источников шума, которые могут повлиять на измерения, что позволяет прилагать постоянные усилия для их максимального уменьшения. Во время сбора данных специальное программное обеспечение в реальном времени отслеживает уровни шума в интерферометре, и проводятся глубокие исследования для выявления самых громких шумов и их уменьшения. Каждый период, в течение которого обнаруживается, что детектор "слишком шумный", исключается из анализа данных: эти мертвые времена необходимо уменьшить, насколько это возможно.
Кривая чувствительности детектора Virgo в полосе частот [10 Гц; 10 кГц], вычисленное в августе 2011 г. «Кривые чувствительности Девы». 2011. Архивировано с оригинала 1 декабря 2015 года. Дата обращения 15 декабря 2015.. Его форма типична: тепловой шум маятниковой моды подвеса зеркала преобладает на низких частотах, тогда как на высоких частотах его возрастание обусловлено дробовым шумом лазера. Между этими двумя частотными полосами и наложенными на эти основные шумы, можно увидеть резонансы (например, режимы скрипки с подвесной проволокой), такие как вклады от различных инструментальных шумов (среди которых 50 Гц частота от электросети и ее гармоник ), которую пытаются непрерывно снижать. Детектор, такой как Дева, характеризуется своей чувствительностью, показателем качества, предоставляющим информацию о наименьший сигнал, который может обнаружить прибор - чем меньше значение чувствительности, тем лучше детектор. Чувствительность изменяется в зависимости от частоты, поскольку каждый шум имеет свой частотный диапазон. Например, предполагается, что чувствительность усовершенствованного детектора Virgo будет в конечном итоге ограничена:
Virgo - широкополосный детектор, чувствительность которого находится в диапазоне от нескольких Гц до 10 кГц. С математической точки зрения, его чувствительность характеризуется его спектром мощности, который вычисляется в реальном времени с использованием данных, зарегистрированных детектором. Кривая напротив показывает пример амплитудной спектральной плотности Девы (квадратный корень из спектра мощности) с 2011 года, построенный с использованием логарифмической шкалы.
Использование интерферометра, а не Единый оптический резонатор позволяет значительно повысить чувствительность детектора к гравитационным волнам. Действительно, в этой конфигурации, основанной на измерении интерференции, вклады некоторых экспериментальных шумов сильно уменьшены: вместо того, чтобы быть пропорциональными длине отдельного резонатора, они в этом случае зависят от разницы в длине плеч (так что равная длина плеч устраняет шум). Кроме того, конфигурация интерферометра выигрывает от дифференциального эффекта, создаваемого гравитационной волной в плоскости поперечной направлению ее распространения: когда длина оптического пути 
Затем необходимо «заморозить» различные зеркала интерферометра: при их перемещении изменяется длина оптического резонатора, а вместе с ним и сигнал интерференции, считываемый с выходного порта прибора. Положения зеркал относительно эталона и их выравнивание контролируются точно в реальном времени с точностью лучше, чем десятая часть нанометра для длин; на уровне нескольких нано радиан для углов. Чем чувствительнее детектор, тем уже его оптимальная рабочая точка.
Достижение этой рабочей точки из начальной конфигурации, в которой различные зеркала движутся свободно, является проблемой системы управления. На первом этапе каждое зеркало управляется локально, чтобы гасить его остаточное движение; затем автоматическая последовательность шагов, обычно длинная и сложная, позволяет осуществить переход от ряда независимых локальных элементов управления к уникальному глобальному управлению интерферометром в целом. Как только эта рабочая точка будет достигнута, ее проще сохранить, поскольку сигналы ошибки, считываемые в реальном времени, обеспечивают измерение отклонения между фактическим состоянием интерферометра и его оптимальным состоянием. На основании измеренных разностей механические поправки применяются к различным зеркалам, чтобы приблизить систему к ее наилучшей рабочей точке.
Оптимальная рабочая точка интерферометрического детектора гравитационных волн немного отстроена от «темной полосы», конфигурации, в которой два лазерных луча, рекомбинированные на светоделителе, интерферируют деструктивным образом: почти нет света обнаружен на выходном порту. Расчеты показывают, что чувствительность детектора масштабируется как 
Оптическая конфигурация детектора Virgo первого поколения. На схемах можно увидеть уровень мощности, хранящейся в различных полостях. 
Любое зеркало Virgo поддерживается в вакууме механической структурой, чрезвычайно гасящей сейсмические колебания. «Суператтенюатор» состоит из цепочки маятников, свисающих с верхней платформы, поддерживаемых тремя длинными гибкими ножками, прикрепленными к земле, технически называемыми перевернутым маятником. Таким образом, сейсмические колебания выше 10 Гц снижаются более чем в 10 раз, а положение зеркала очень тщательно контролируется. Если смотреть с воздуха, детектор Virgo имеет характерную L-образную форму с двумя 3-километровыми длинные перпендикулярные руки. В «туннелях» рукава находятся вакуумные трубы диаметром 120 см, по которым лазерные лучи проходят в сверхвысоком вакууме. Чтобы увеличить взаимодействие между светом и приходящей гравитационной волной, в каждом плече установлен оптический резонатор Фабри-Перо, а также зеркало, называемое «рециркулирующим зеркалом», на входе в инструмент, между лазерным источником и светоделителем.
Дева чувствительна к гравитационным волнам в широком диапазоне частот, от 10 Гц до 10 000 Гц. Основными компонентами детектора являются следующие:
Обзор сайта Девы.
Аэрофотоснимок детектора Девы.
Начало северной руки Девы; на переднем плане справа центральное здание.
Вид на северный рукав Девы длиной 3 км.
Зона Девы, на переднем плане - здание, в котором находится диспетчерская детекторов и местный вычислительный центр.
Центральное здание Девы, в котором размещены лазер и светоделительное зеркало.
Вид на западный рукав Девы длиной 3 км (правая труба). В левой трубке длиной 150 м находится резонатор для очистки мод, который используется для пространственной фильтрации лазерного луча.
