LE ONDE GRAVITAZIONALI
UN PO’ DI STORIA
LA STORIA
1905
Nasce la relatività ristretta e il
concetto di spazio-tempo
– Spazio e tempo sono connessi,
distanze e tempi non sono assoluti
1908
Einstein propone il
principio di equivalenza forte
– Per tutte le leggi fisiche, un campo
gravitazionale è localmente
equivalente ad un sistema di
riferimento accelerato
– Fondamento della descrizione
geometrica della gravità
LA STORIA
1915
Nasce la relatività generale
– La gravità è descritta come
curvatura dello spazio-tempo
– La materia dice allo spazio come
curvarsi e lo spazio curvo dice alla
materia come muoversi
(John Wheeler)
1916
Einstein formula il concetto di
onde gravitazionali
– Sono increspature dello spaziotempo che si propagano alla
velocità della luce
– Sono prodotte da masse in moto
accelerato
LA STORIA
1916
Spiegazione dell’avanzamento
del perielio di Mercurio
osservazione
modello 1850’s
relatività generale
1919
5600”/secolo
5557”/secolo
+43”/secolo
Eddington osserva la
deflessione della luce
durante un’eclissi solare
relatività generale
+1.8”
PROVA INDIRETTA
Nel 1974, Hulse e Taylor scoprono il
sistema binario PSR 1913+16
pulsar
Taylor e Weisberg misurano nell’arco di
vari anni la variazione del periodo
Stabiliscono che il sistema sta perdendo energia a
causa dell’emissione di onde gravitazionali in
perfetto accordo con la teoria di Einstein
prima prova indiretta
dell’esistenza delle onde gravitazionali
LA RICERCA DIRETTA : ANTENNE
Anni 60
Anni 90
Weber progetta e
costruisce il primo
rivelatore a barra
Vengono costruiti altri
rivelatori a barra, tra i
quali AURIGA
IGEC
Laboratori Nazionali di Legnaro, Padova
Rete internazionale di rivelatori a barre
LA RICERCA DIRETTA : INTERFEROMETRI
1971
Primo prototipo (2m)
1989
Prima proposta per
LIGO, Virgo e GEO
Anni
2000
LIGO & Virgo operativi
Discovery !
Virgo
2015
LIGO Advanced
2016
Virgo Advanced ?
COME SI RIVELANO
LE ONDE GRAVITAZIONALI ?
COME INTERAGISCONO ?
Le onde gravitazionali sono onde a due componenti di polarizzazione
(h+, hx) che oscillano ortogonalmente alla direzione di propagazione
hx
h+
L
DL
Al passaggio di un’onda gravitazionale lo spazio-tempo viene deformato
Gli oggetti subiscono una variazione D L proporzionale all’ampiezza h
dell’onda e alla lunghezza L dell’oggetto
DL
h
L
COS’È UN INTERFEROMETRO?
L’interferometro è uno strumento molto preciso che sfrutta la
luce per misurare differenze di lunghezza
SPECCHIO
h
SEPARATORE
DI FASCIO
SPECCHIO
INTERFERENZA
h
L1 L2
L1 L2
COME FUNZIONA
L’INTERFEROMETRO
UN
INTERFEROMETRO ?
TUBI PIENI DI … VUOTO!
Siccome la presenza di gas
residuo perturberebbe la
misura, il percorso del fascio
di luce tra gli specchi deve
trovarsi alla pressione
estremamente bassa di
10-12 atm
Virgo è il più grande volume ad ultra vuoto
in Europa (6800 m3) !!!
LA TERRA VIBRA CONTINUAMENTE!
Superattenuatore (Virgo)
riduce le vibrazioni
sismiche degli specchi di
almeno un fattore 1012
10m
15
Specchio
42kg
GLI INTERFEROMETRI
LIVINGSTONE
HANFORD
VIRGO
COSA CERCHIAMO ?
SORGENTI DI ONDE GRAVITAZIONALI
Segnali Transienti : segnali Groun
di breve durata (10-3 – 103) sec
• Collasso di sistemi binari
•
•
•
Stella di Neutroni – Stella di Neutroni
Stella di Neutroni – Buco Nero
Buco Nero – Buco Nero
•
La Relatività Generale fornisce il modello
delle forme d’onda aspettate
• Collasso di supernova (SN)
•
I modelli delle forma d’onda non ben
conosciuti
SORGENTI DI ONDE GRAVITAZIONALI
Segnali
Continui
Ground-based
• Stelle a Neutroni (Pulsars)
•
Oggetti compatti velocemente rotanti con
una distribuzione asimmetrica di massa
•
La Relatività Generale fornisce il modello
delle forme d’onda aspettate
Vela Pulsar
• Fondo Cosmico
Onde Gravitazionali
•
Residuo del Big Bang
•
Fondo incoerente di sorgenti di onde
gravitazionali
NASA/WMAP Science Team
Onde Gravitazionali da sistemi binari compatti
SPIRALEGGIAMENTO
Le onde gravitazionali prodotte nella
fase di spiraleggiamento negli ultimi
cicli possono essere rivelate degli
interferometri
FUSIONE
Sono disponibili solo
soluzioni numeriche
SMORZAMENTO
Soluzioni numeriche
o perturbative
Verifica della relatività generale in un
regime di forte non linearità
COME CERCHIAMO ?
COSA VEDONO I RIVELATORI ?
Onda Gravitazionale
Sorgente
Tempo di Coalescenza (sec)
Rivelatore
Il SEGNALE misurato e’ contaminato
dal RUMORE del rivelatore
LA RICERCA DEL SEGNALE
I rivelatori
registrano i dati
I programmi
analizzano i dati
minuti/ore
Eventuali candidati
inviati ai telescopi
giorni/mesi
Verifica significanza
dei candidati
Rumore
Segnale
14 SETTEMBRE 2015 9:50:45 UTC
LA SCOPERTA
14 SETTEMBRE 2015 9:50:45 UTC
LA SCOPERTA
(Beh, in realta’ 1.3 miliardi di anni fa)
IL SEGNALE ARRIVA SULLA TERRA
LIGO VEDE L’EVENTO
14 SETTEMBRE 2015 – 9:50:45 UTC
7 MSEC PIU’ TARDI
I DUE SEGNALI COINCIDONO !
Il segnale di Hanford e’ spostato di 7msec e cambiato di segno
I SUSSURRI DELL’ONDA
IL PRIMO
AVVISTAMENTO
Arrivo 11:50:45 - Allarme 11:53
GW150914 : La prima immagine
GW150914
IL SEGNALE
LIGO Open Science Center - http://losc.ligo.org
QUALI OGGETTI HANNO PRODOTTO
QUESTO SEGNALE ?
Analisi dedicate hanno stimato che si
tratta di due buchi neri con masse pari
a 36 e 29 volte la massa solare e raggio
pari rispettivamente a 108 e 87 km
Il segnale rivelato è in perfetto
accordo con le previsioni della
relatività generale
I buchi neri sono gli unici oggetti
compatti noti che possono spiraleggiare
a questa reciproca distanza (~ 400 km)
con tale velocita‘ (~150000 km/sec)
c = 300.000 km/sec
Rs ~ 183 km
IL BUCO NERO FINALE
La massa del buco nero finale è stimata in 62 masse solari
( = 20 milioni di volte la massa della terra )
raggio del buco nero ~ 183 km
L GW150914 ~ 3.6 × 1049 W
L sun ~ 3.8 × 1026 W
L hulse/taylor ~ 7.3 × 1024 W
L earth ~
200 W
L'energia rilasciata sotto forma di onde gravitazionali
corrisponde a 3 Masse solari !!!
50 volte la potenza di tutte le stelle dell'universo osservabile
E ORA
COSA CI ASPETTA ?
SI È APERTA UNA NUOVA FINESTRA
SULL’UNIVERSO
Gravitational-wave Sky
LA FUTURA RETE DI RIVELATORI
Approved!
IL FUTURO DELLA RICERCA DELLE ONDE GRAVITAZIONALI
È NELLO SPAZIO – eLISA (2034)
• eLISA è un interferometro
nello spazio costituito da 3
satelliti alla distanza
reciproca di 1 milione di km
• permetterà di vedere le
emissioni di centinaia o
migliaia di stelle binarie con
grande massa a basse
frequenze : 0,1 mHz e 1 Hz
• Il 3 dicembre 2015 è stata
lanciata la sonda PathFinder
che ha lo scopo di verificare
la fattibilita’ del progetto
eLISA
E PER FINIRE …
P HYSICAL
REVIEW
L ETTERS
Ô
Member Subscription Copy
Library or Other Institutional Use Pr ohibited Until 2017
Articles published week ending
12 FEBRUARY 2016
Published by
American Physical SocietyÔ
Volume 116, Number 6
Responsabile progetto squeezing:
Primo Ricercatore Jean-Pierre Zendri
Ricercatori e post-doc:
Gabriele Vedovato analisi dati
Livia Conti squeezed light source e
nonequilibrium thermal noise
Marco Bazzan squeezed light source
Claudia Lazzaro analisi dati
Dottorandi:
Marco Vardaro squeezed light source
Tecnici:
Lisa Zangrando, Luciano Modanese
Laureandi:
Tommaso Comellato
Responsabile analisi dati:
Prof. Giovanni Andrea Prodi
Dottorandi:
Matteo Di Giovanni analisi dati
Matteo Leonardi squeezed light source
Shubhanshu Tiwari analisi dati
Maria Concetta Tringali analisi dati
Tecnici elettronici:
Claudio Salomon, Roberto Graziola,
Massimo Gennara
Laureandi:
Michele Valentini
Estendo
la dedica di
Kip Thorne
a tutti voi
Pasadena Marzo 2015
LIGO-Virgo
Collaboration Meeting
Kip Thorne parla di
Interstellar
Dedica per una persona
speciale
wormhole
Grazie
Mappa delle probabilità
direzione dell’evento
prodotta dall’analisi
cohrentWaveBurst
