virgo

Onde gravitazionali
Prima osservazione di onde gravitazionali
ore 10.50 del 14 settembre 2015
mediante interferometri Ligo
(rivelatore interferometrico di onde gravitazionali)
(Washington-Hanford, Lousiana-Livingston)
ed elaborazione dati con collegamento a
Virgo (da Vergine:ammasso di galassie)
(Pisa-Cascina:inattivo al momento della recezione)
annuncio 11 febbraio 2016
Le onde gravitazionali rivelate sono state prodotte nell’ultima frazione di
secondo del processo di fusione di due buchi neri, di massa equivalente
a circa 29 e 36 masse solari, in un unico buco nero ruotante più
massiccio di circa 62 masse solari:
le tre masse solari mancanti al totale della somma equivalgono
all’energia emessa durante il processo di fusione dei due buchi neri,
sotto forma di onde gravitazionali.
I due buchi neri, prima di fondersi hanno percorso una traiettoria a
spirale per poi scontrarsi a una velocità di circa 150.000 Km/s
Rivelazione mediante analisi della interferenza di raggi laser
attribuibile alla variazione del percorso provocata dalla deformazione
dello spazio per l’arrivo dell’onda gravitazionale
Onde in opposizione di fase
Onde con sfasamento
Onda gravitazionale provoca variazione della lunghezza del
percorso della luce laser nei due rami, dimostrata dallo
sfasamento osservato nel rivelatore
Specchio 1
Distanza 1
Specchio semitrasparente
specchio2
Sorgente laser
Distanza 2
rivelatore
distanza 1 <> distanza 2
Einstein, con la teoria della relatività generale,
stabilì la connessione tra campo gravitazionale
e struttura dello spazio-tempo.
l'interazione gravitazionale
è la meno conosciuta fra le interazioni fondamentali.
le onde gravitazionali possono viaggiare
nello spazio senza essere assorbite
dalle stelle o dalla materia interstellare.
Questa interazione molto bassa, assieme
alla debolezza della forza gravitazionale,
rendono la loro rivelazione particolarmente difficile
nel 1936 Einstein stesso era stato indotto
a ritenere che tali onde non potevano esistere
e che quindi la previsione formulata in precedenza era un errore
In base alla teoria della relatività resa pubblica da Einstein nel
1915 la presenza della materia curva lo spazio e il tempo. .
Galassia non visibile da osservatorio in assenza di curvatura spaziale
Galassia visibile da osservatorio in presenza di curvatura spaziale ,
con duplicazione della immagine
Le onde gravitazionali sono come piccole increspature del tessuto
dello spazio-tempo che permea tutto l’universo
( come le onde che increspano la superficie di uno stagno su cui si
sposta un oggetto.)
queste perturbazioni sono prodotte dal movimento di corpi dotati di
massa nello spazio-tempo.
Queste onde però sono assai deboli, poiché la gravità è la più
debole delle quattro forze fondamentali
(forte, elettromagnetica, debole, gravitazionale)
viaggiano alla velocità della luce e interagiscono in modo
trascurabile con la materia che incontrano.
.
Quindi per rilevarle è fondamentale che le sorgenti siano masse in
movimento di dimensioni grandissime(
per esempio esplosione iniziale big bang
due buchi neri che collassano uno sull'altro,
l’esplosione di supernove, collasso in stella a neutroni, buco nero,
sistemi binari rotanti attorno a centro comune, pulsar ).
L'osservazione delle onde gravitazionali
può fornire informazioni importanti
e complementari a quelle fornite dalle
onde elettromagnetiche
luce, onde radio, raggi X e gamma
e da particelle elementari
raggi cosmici, neutrini, di origine astrofisica.
Verranno svelati altri aspetti dell'Universo
e si penetrerà dentro quelle zone del cosmo
oscurate dalla polvere o da altri fenomeni.
I processi cosmici come
l'esplosione di una supernova, collisioni catastrofiche,
fusione di sistemi binari, rotazione di pulsar, interazione
di buchi neri o ancora il big bang primordiale
sono fonte di onde gravitazionali.
L'osservazione di onde gravitazionali emesse durante
questi violenti processi è l'unico modo per ottenere
informazione sulle masse coinvolte nel processo
Evoluzione stellare
Stella rossa
stella
protostella
Gigante rossa
Nebulosa in fase di contrazione
Nebulosa planetaria
Nana bianca
Supergigante rossa
Nana nera
Stella neutronica
Buco nero
Nebulosa gassosa
supernova
Evoluzione stellare
Stella rossa
stella
protostella
Gigante rossa
Nebulosa in fase di contrazione
Nebulosa planetaria
Nana bianca
Supergigante rossa
Nana nera
Stella neutronica
Buco nero
Nebulosa gassosa
supernova
supernova genera onde gravitazionali
nella fase di esplosione e nel collasso in stella neutronica o buco nero
Big bang:esplosione con generazione di onde
gravitazionali che si propagano nell’universo in espansione
Le onde gravitazionali rivelate sono state prodotte nell’ultima frazione di
secondo del processo di fusione di due buchi neri, di massa equivalente
a circa 29 e 36 masse solari, in un unico buco nero ruotante più
massiccio di circa 62 masse solari:
le tre masse solari mancanti al totale della somma equivalgono
all’energia emessa durante il processo di fusione dei due buchi neri,
sotto forma di onde gravitazionali.
I due buchi neri, prima di fondersi hanno percorso una traiettoria a
spirale per poi scontrarsi a una velocità di circa 150.000 Km/s
Due buchi neri con masse solari 29 , 36 rotanti attorno a centro comune ,
si urtano e si fondono originando buco nero di 62 masse:la differenza 3
masse viene emessa come onde gravitazionali
Le onde gravitazionali distorcono lo spazio tempo e producono forze
in maniera tale che la distanza tra due masse altrimenti libere,
aumenta e diminuisce alternativamente al passaggio dell'onda.
Una caratteristica importante è che a un allontanamento in una
direzione corrisponde un avvicinamento nella direzione
perpendicolare.
Il risultato è che se le masse sono disposte su un cerchio questo
sarà alternativamente allungato e schiacciato in due direzioni
perpendicolari.
Queste infinitesime variazioni di distanza possono essere rivelate
sfruttando il fenomeno dell'interferenza.
Un interferometro Michelson a laser è molto sensibile a differenze
di lunghezza tra i suoi bracci ed è quindi ideale per la rivelazione
di onde gravitazionali.
Per l'altissima sensibilità richiesta, la lunghezza dei bracci deve
essere di molti chilometri. Questo non può essere facilmente
realizzato sulla Terra e si usano riflessioni multiple per aumentare
artificialmente la lunghezza dei bracci.
mediante cavità risonante Fabry-Perot
I due fasci di luce laser, provenienti dai due bracci, vengono
ricombinati in opposizione di fase su un rivelatore di luce
in modo che, normalmente, non arrivi luce sul rivelatore.
La variazione del cammino ottico, causata dalla distanza tra gli
specchi che varia in a causa della onda gravitazionale
produce un piccolissimo sfasamento tra i fasci e quindi
un'alterazione dell'intensità luminosa osservata,
proporzionale all'ampiezza dell'onda gravitazionale
Specchio 1
Distanza 1
Specchio semitrasparente
specchio2
Sorgente laser
Distanza 2
rivelatore
Raggio laser incidente su specchio semitrasparente
suddiviso in due raggi uguali che raggiungono due specchi e vengono riflessi
i raggi riflessi raggiungono il rivelatore
in opposizione di fase (se distanze percorse sono rimaste invariate)
risultato: assenza di segnale nel rivelatore
Specchio 1
Distanza 1
Specchio semitrasparente
specchio2
Distanza 2
Sorgente laser
rivelatore
distanza 1 = distanza 2
Onda gravitazionale provoca variazione della lunghezza del
percorso della luce laser nei due rami, dimostrata dallo
sfasamento osservato nel rivelatore
Specchio 1
Distanza 1
Specchio semitrasparente
specchio2
Sorgente laser
Distanza 2
rivelatore
distanza 1 <> distanza 2
Onde in opposizione di fase
Onde con sfasamento
Virgo è un interferometro laser di tipo Michelson con due bracci
di 3 km disposti ad angolo retto.
Uno specchio semitrasparente divide il fascio laser incidente in
due componenti uguali
mandate nei due bracci dell'interferometro.
(In ciascun braccio una cavità risonante Fabry-Perot formata da
due specchi estende la lunghezza ottica da 3 a circa 100
chilometri per via delle riflessioni multiple della luce e pertanto
amplifica la piccola variazione di distanza causata dal passaggio
dell'onda gravitazionale.)
VIRGO è sensibile alle onde gravitazionali in un
ampio spettro di frequenze, da 10 a 10,000 Hz.
Questo dovrebbe consentire la rivelazione
di radiazione gravitazionale causata
dalla coalescenza di sistemi binari (stelle o
buchi neri), pulsar, e quella prodotta da
supernovae nella Via Lattea e nelle galassie
esterne,
T = Spazio/velocità = 150.000.000 km/300.000 Km/s = 500 s = 8.3 minuti
La luce emessa dal sole impiega 8 minuti per raggiungere la terra
Se il sole cessasse improvvisamente di irradiare , l’ultima luce che
raggiungerebbe la terra sarebbe quella emessa 8 minuti prima della
cessazione (sole ancora visibile per effetto di tale luce)
Con un ritardo di 8 minuti alla terra verrebbe fornita la informazione
sulla avvenuta cessazione della attività solare
Posizione Immagine
del sole osservato
Posizione Sole reale
Quando l’osservatore vede il disco solare in fase di tramonto
sta vedendo in realtà solo la immagine dovuta alla radiazione
emessa dal sole quando si trovava in quella posizione , circa
8 minuti prima del momento nel quale si verifica la osservazione
T = Spazio/velocità = 150.000.000 km/300.000 Km/s = 500 s = 8.3 minuti
Esempio: sasso lasciato cadere su superficie ferma di stagno
viene generato nell’acqua un moto oscillatorio che si propaga
radialmente
Spazio omogeneo
Terra in moto in
assenza del sole
Spazio curvato da massa solare
Terra in moto nello spazio
curvato dal sole
Terra in moto nello spazio
curvato dal sole
Scomparsa del sole e curvatura spaziale
percepita in ritardo di 8 minuti sulla terra
Problemi
La massa totale dell'Universo,
stimata dalla massa dei corpi visibili, della polvere cosmica
e dei gas, è meno del 5 % della massa necessaria
per spiegare il moto delle galassie:
si ipotizza la presenza di materia oscura 25 %
la accelerazione nella espansione del cosmo
sembra aumentare come se fosse presente una
forma di energia repulsiva che si oppone alla
forza attrattiva gravitazionale
Energia oscura 70 %
Siccome le onde gravitazionali sono generate dal moto di grandi
masse la loro osservazione potrà fornire informazioni fondamentali
su questo mistero della massa mancante.
i rivelatori di onde gravitazionali sono per loro natura non
direzionali e sono quindi in ascolto continuo di tutto l'Universo.