La rilevazione diretta delle Onde Gravitazionali: il contributo dell’Italia Fulvio Ricci Dipartimento di Fisica Università di Roma Sapienza & INFN Sezione di Roma Simulazione numerica della collissione tra due Buchi Neri " USA%National-Center-for-Supercomputing-Applications-(NCSA) 1 Gravity a fundamental force 2 La Gravitazione Universale ! Risolve gran parte dei fenomeni osservati a Terra e nel Cielo » L’orbita dei pianeti e delle comete » La cause delle maree » Il moto della Luna e la perturbazione dovuta alla Gravita’ del Sole ! Giunge ad una visione unitaria del lavoro di Galileo Copernico e Keplero. 3 ! M1 M 2 ˆ F =G r 2 r Ma quale è la causa ultima di questa forza ? €L’equazione ne riassume bene le proprietà, ma non ci spiega sino in fondo quale sia il meccanismo che la crea! 4 Dopo qualche centinaio di anni si apre una piccola crepa nella teoria Newtoniana Lo spostamento del perielio di Mercurio è +43”/Secolo più grande di quello previsto dalla teoria di Newton 5 Da-Newton-ad-Einstein,-ma-grazie-a-Galileo- 6 Einstein-1905" Relatività-RistrettaIntervalli-di-Tempo-e-Intervalli-di-Spazio-non-sono-più-quantitàassolute Il-tempo- dell’orologio-in-quiete-scorre-più-rapido-di-quello-dell’orologio- in-movimento- 7 Einstein-1905" Relatività-RistrettaIntervalli-di-Tempo-e-Intervalli-di-Spazio-non-sono-più-quantitàassolute Il-regolo in-moto è più corto del-regolo fermo 8 Come misurare lo spazio"le lunghezze ? Relatività ristretta "Le misure di-lunghezza dipende dalsistema di-riferimento ! Metro-campione conservato nell’Ufficio Internazionale di-Pesi e-Misure di-Sèvres. 1983-" nuova convenzione L’unità di-misura della lunghezza è il metro,-definito come-la-distanza percorsa dalla luce nel vuoto in-unintervallo di-tempo-pari a1/299792458- di-secondo. 9 Galileo'Galilei: il'principio'di' Equivalenza L’eguaglianza'tra'Massa'Inerziale e'Massa'Gravitazionale fa'si'che'tutti'i'corpi'cadano'con'la'stessa'accelerazione,' indipendentemente'dalla'loro'natura Newton:''IIo legge'della'dinamica Massa'Inerziale x"""""Accelerazione""" = Massa'Gravitazionale'''' x""""Campo"Gravitazionale 10 L’ascensore di Einstein Se-un-ascensore-è-al-suolo,un-oggetto,- lasciato-andaredentro-di-esso,-cadeliberamente. In-un-ascensore-incaduta,-un-oggettolasciato-andare,resta-dove-è-e-noncade-rispetto-a-chilo-lascia-andare . Se-un-ascensore-è-nellospazio,-lontano- da-unqualunque- campogravitazionale,-un-oggettolasciato-andare- non-cade.. Se-l’ascensoresubisce-unaaccelerazione-versol’alto,-allora-glioggetti-fermi(rispetto-ad-unosservatore)cadono- rispettoall’ascensore 11 L’omino guarda la luce che attraversa un ascensore fermo rispetto al suolo ed uno in salita Ascensore Fermo al-suolo Ascensore accelerato verso-l’alto Laser L’osservatore conclude/che la/traiettoria della luce è curva"lo spazio è curvo ! 12 Nella navicella spaziale accelerazione e gravità hanno lo stesso effetto anche sulla traiettoria della luce 13 ! E’ possibile cancellare localmente il campo gravitazionale studiando i fenomeni fisici rispetto ad un sistema di riferimento uniformemente accelerato ! Tuttavia va osservato che il campo gravitazionale non è uniforme. Infatti nel caso di masse puntiformi la legge di Newton ci dice che ! ! F M1 g= = G 2 r̂ M2 r ! In generale l’accelerazione cambia da punto all’altro. gravitazionale 14 Potremmo-allora-pensare- di-limitare- la-nostra-attenzione- afenomeni- locali, usando- in-pratica-una-piccola- cabina, dove-glieffetti-dovuti-alle-differenze-di-accelerazione- siano- trascurabili. Grande"vantaggio: in"queste"cabine"le"leggi"della"relatività"ristretta"sono" applicabili. Grande"svantaggio: per-studiare-i-fenomeni-su-larga-scala-occorre-utilizzare- piùsistemi-di-riferimento-(più-cabine) Ogni"cabina"è"come"la"singola"mappa" di"un"Atlante" Geografico Ma per pianificare percorsi su larga scala è necessario costruirsi un Mappamondo 15 Relatività Generale l’idea essenziale Gµν=-8πΤµν ! La"Gravità non"è vista"come"un"campo"di"forzeB"essa è descritta come"una proprietà dello spazio e"del" tempo spaziali !» Gli oggetti seguono il cammino piùobreve tra i !SpazioDtempo"="3"dimensioni Le Concentrazioni di massa di+"tempo energia punti dello spazio tempo"deformatoB"questo distorcono lo spazio tempo cammino è lo"stesso per"qualunque tipo di corpo (indipendente dalla sua natura) 16 Relatività Generale Einstein teorizza che un corpo massiccio deforma lo spazio e il tempo 17 Il tempo scorre più lentamente dove la gravità è meno intensa Orologi con moto relativo nullo in 2 punti del campo gravitazionale T1 = T2{1+ g (h1 − h2 ) c 2 } € 18 Effetto-correttivo-importante-per-il-Global-Position-System-(GPS) Relatività Generale Tutti i corpi si muovono attraverso lo spazio deformato 19 Una predizione della Teoria di Einstein… Sir Arthur Eddington (1919) La deflessione della luce Le frecce arancioni indicano la posizione apparente della galassia distante. Le frecce grige indicano il reale percorso della luce 20 21 Le Onde Gravitazionali !Una conseguenza cruciale della Relatività Speciale è che tutte le" informazioni si progano con" velocità finita !Quindi l’informazione del" cambiamento della struttura dello spazio tempo,"dovuta ad" un’accelerazione delle masse"che deformano lo"spazio,"si propaga alla velocità della luce Onde Gravitazionali La radiazione gravitazionale emessa durante la fase di spiraleggaimento di due oggetti compatti 22 Prova indiretta dell’esistenza delle Onde Gravitazionali Sistema binario di stelle compatte • • • • 17 / sec • • Hulse & Taylor • separazione ~ 106 km m1 = 1.4 masse solari m2 = 1.36 masse solari eccentricità = 0.617 Predizione period ~ 8 hr della Relatività Generale PSR 1913 + 16 Timing of pulsars • riduzione progressiva dell’orbita 3 mm/orbita 23 Evidenza “indiretta” d’esistenza delle Onde Gravitazionali 24 La Rivelazione delle ONDE GRAVITAZIONALI -4 Le quantità d’energia emesse nei processi stellari sono enormi. Ma la sorgente è lontana e l’energia tipicamente si disperde in tutto l’universo e noi possiamo raccoglierne solo una frazione piccola. Distanza : 10 kparsec = 3 1020 m Energia emessa: 1040 Joule Effetto geometrico a Terra: h= 10-21 h rappresenta il cambiamento sulla Terra della distanza relativa tra due punti In altre parolo se pongo due corpi ad una distanza di 1 km l’uno rispetto all’altro, lo spostamento da misurare è ΔL = h x 1000 = 10-18 m 25 Quanto piccola è lo spostamento che dovremo misurare? 1 metro ÷ 10,000 ÷ 100 ÷ 10,000 Capello umano ~ 100 microns Lunghezza d’onda della luce ~ 1 micron Diametro atomico 10n10 m ÷ 100,000 Diametro Nucleare 10n15 m ÷ 1,000 Sensibilità di VIRGo 10n18 m 26 Rivelazione diretta Onde da sorgenti Astrofisiche Rivelatori Terrestri LIGO e Virgo Rivelatori spaziali LISA 27 La Rivelazione delle ONDE GRAVITAZIONALI - 1 Quando la nostra regione di spazio è investita dall’ Onda Gravitazionale, cambiano le proprietà geometriche dello spazio 28 L’effetto dell’Onda su un oscillatore armonico L Μ Μ Rivelatori a Barra The Pioneer: Joseph Weber Le-barre criogeniche 1980- % 2010Le barre a temperatura ambiente (1960 -1980) Rivelatori a Barra M di alcune tonnellate L di qualche metro Il ruolo dell’INFN e della Sapienza Guido-Pizzella Edoardo Amaldi 1974 Snam Progetti - Monterotondo M.-Cerdonio G.V. Pallottino, I. Modena, G. Pizzella, E. Amaldi, E. Serrani, P. Carelli, G. Lucano, U. Giovanardi Ranelli, Foco Di nuovo alla 20 kg antenna @4.2 K Antenna da 400 kg antenna al CNR-IFSI 1977 Fulvio-Ricci Umberto-Giovanardi Paolo-Napoleoni EXPORER-@-CERN EXPLORE @ CERN 1986 NAUTILUS@CERN NAUTILUS LNF%INFNFrascati 1993 C.-Pizzella 2015 L’Onda Gravitazionale investe tutta la Terra e le antenne la rivelano in coincidenza 38 Rivelatori Criogenici a-Barra 1980-% 2010 1980-% 2010- Tre antenne Italiane ALLEGRO----AURIGA- EXPLORER- NAUTILUS- NIOBE Usare la-Luce-per--rilevare leONDE-GRAVITAZIONALICome possiamo renderci conto che stanno cambiando le proprietà geometriche dello spazio? Anche il nostro metro campione si deforma!! Noi possiamo però misurare il tempo che luce impiega a fare un viaggio di andata e ritorno tra due punti localmente liberi da effetti gravitazionali, perchè la velocità della luce è sempre pari a c. 41 42 L’interferometro di Michelson 43 L’effetto dell’Onda Gravitazionale è analogo a quello di una forza di marea. Se ho tre corpi distribuiti come una L, quando un tratto si allunga l’altro si accorcia e viceversa 44 L’INTERFEROMETRIA e le ONDE GRAVITAZIONALI -2 Il segnale d’uscita di un interferometro Michelson dipende dalla differenza dei tempi di transito della luce nei due bracci, ovvero dalla differenza di lunghezza dei due bracci. La variazione di lunghezza di un braccio è ΔL = h *L A parità di h, tanto più è grande L quanto più è grande è il segnale dell’interferometro ΔL 45 L’INTERFEROMETRIA"a"Terra"e"le"ONDE" GRAVITAZIONALI" Come allungare il cammino della luce: le Linee di Ritardo Ottiche 46 L’INTERFEROMETRIA"a"Terra"e"le"ONDE" GRAVITAZIONALI" Il tempo di permanenza della luce nei bracci viene allungato costruendo delle cavità ottiche dove la luce rimbalza avanti ed indietro prime di uscire. Due tecniche possibili: a) Linee di Ritardo Ottiche, b) Cavità Fabry-Perot L L Beam splitter Photo detector 47 1985:Marcel Grossmann Meeting VIRGO O Proposal for the construction of a large ínterferometric detector of Gravitational waves Alain-Brillet Submitted : May 1989 Adalberto Giazotto Revised : January 1990 Proposta presentata nel 1989- -%%%%%% Approvata nel 1992 The VIRGO construction M.-Perciballi E.-Majorana P.-Puppo F.-Ricci- P.-Rapagnani 1999 VIRGO-a-Cascina Interferometro con bracci di 3 km e cammini ottici di 120 km 50 51 Il segnale è ΔL ~100 km * 10-21 = 10-16 m, quindi è fondamentale limitare tutte le sorgenti di rumore dell’interferometro. Sorgenti'di'Rumore 52 OTTICA: gli specchi Substrato: SiO2 35 cm di diametro, 10 cm spessore Omogeneità < 5 x 10n7 Uniformità della superficie < 1 10 n9 m 53 54 Riduzione del rumore sismico Riduzione della Luce Diffusa: il Vuoto 55 Schema del Controllo Elettronico Acc. Sens: 10 -9 m/s2 - 0 – 100Hz - f.s. 1g Motors VME bus Sensors Coil Drivers Position & Dampin g C P U D u a l P P C P o r t DOL DSP 1L1 DAC DAC 1L1 1L1 RAM VSB bus 1 T i m i n g DSP 1D1 D u a l ADC ADC ADC DAC 1D1 1D1 1D1 1D1 P o r t D r i v e r RAM VBeX bus 1 VSB bus 2 VBeX bus 2 Sensors Coil Drivers Sensors Coil Drivers Superattenuatore DSP: DAC: ADC: - 96 bit - 8 Chan. - 20 bit - 500 KHz - 8 Chan. -16 bit SAR - 200 KHz - 60 MFLOPs M o t o r 56 Uno-sguardo alla sensibilità Lecce/62013/– Fulvio/Ricci/ 57 La'rete'di'rivelatori in'funzione dal'2007 H1% Hanford- – Washington- state GEO600- – Hannover- % Germany- Virgo-– Cascina-(Pisa)-– EGO-site L1% Livingston-– Louisiana-state La collaborazione LIGO - VIRGO il convegno alla Sapienza nel 2012 L’orizzonte dei rivelatori si allarga La-sensibilità-è-migliorata-progressivamente-e-l’orizzonte,-la-distanza-a-cuiriusciano a-“sentire”-con-le-onde-gravitazionali,-si-è-dilatata: 2005 Orizzonte:-5 milioni-di-anni-luce-(Andromeda! ) 2007 (-primo-“Science"Run”-assieme-a-LIGO) Orizzonte-15-milioni-di-anni% luce 2009D2010 (secondo-e-terzo--“Science"Run”--assieme-a-LIGO) 2011 (quarto-science-run senza-LIGO-per-puntare-la-Vela)orizzonte--30-milioni-di-anni%luce-" un-evento-ogni-20%50-anni 2011D2015 graduale-trasformazione-in-Advanced"detectors traguardo:-decine-di-eventi-all’anno 2015"– Advanced-LIGO-è-pronto-ed-inizia-la-presa-dati 60 La futura rete di rivelatori avanzati VIRGO (Italia% Francia –Olanda –Polonia% Ungheria) Cascina,-Italy KAGRA-(Japan) Kamioka INDIGO-(India),R&D-activity--for-a-4km-Interferometer LIGO-(USA) Hanford,-WAandLivingston,-LA 14'Settembre 2015' ore'11:50:45' in'Italia I-segnali di-allarme generati dai computer-che analizzano I-dat in-tempo-reale Hanford SNR"=24 Livingston Il suono della prima rilevazione LIGO6G16001916v1 63 Frequenza stimata di'un'Falso Allarme 1 evento ogni 203,000''anni Hanford Livingston Ring-down Inspiral Un evento incredibile Il fenomeno è avvenuto a 1.3 miliardi di anni luce da noi Le due masse che si sono scontrate 36 volte la massa del Sole contro 29 volte la massa del Sole hanno prodotto una massa da 62 volte la massa del Sole E= m c2 3 Masse del sole in energia gravitazionale ~5 x10 47 J ~ 1x 1035 kiloToni di TNT (bomba di Hiroshima ~1.3 x101 kiloToni di TNT) 200 Soli evaporati in un secondo!!!! 50 volte più luminoso dell’intero universo visibile 66 Ricadute tecnologiche Diverse-tecnologie usate per-Virgo-sono state-sviluppate in-stretta collaborazione con-l’industria e-possono avere un-impatto su altre attività scientifiche o-industriali.Sistemi di-isolamento sismico e-accelerometri ultrasensibili possono trovare applicazioni in-altri settori scientifici o-industriali (oscillazioni di-ponti e-grattacieli,geofisica). La-più grande camera-a-vuoto d’Europa ha-richiesto lo-sviluppo di-speciali processi produttivi in-metallurgia e-la-realizzazione di-elementi in-acciaio di-grandi dimensioni e-alta precisione.-(Meccanica di-qualita’-in-ambiente depolverizzato,-alto-vuoto) Superfici ottiche a-bassissima diffusione hanno richiesto la-costruzione di-unimpianto di-deposizione sotto-vuoto di-grandi dimensioni a-Lione (Specchi di-grandi dimesioni e-altissima precisione,-laser). La-richiesta per-l’ottica di-VIRGO-di-un-assorbimento estremamente basso-e-di-una alta omogeneità,-ha-avuto come-risultato un-notevole miglioramento del-processo produttivo di-un-tipo di-silice fusa di-altissima qualità,-ora disponibile anche per-altre applicazioni. 67 La futura rete di interferometri Rivelazione simultanea degli eventi gravitazionali dalla rete-mondiale di-antenne LIGO Virgo KAGRA INDIGO 68 La rivelazione nello spazio Laser Interferometer Space Antenna LISA 69 L’Italia ancora in prima fila LISA pathfinder lanciato Il-lancio è avvenuto il 3-Decembre 2015- at-04:04- UTc (05:04- CET)-tramite il lanciatore Vega-dalla base-di-Kourou,- nella Guiana Francese. La-missione durerà 11-mesi e-potrà essere estesa ancora per-altri mesi P.I.-prof.-Stefano-Vitale-– Università di-Trento Ha-messo due-masse-di-prova in-un-quasi-perfetta condizione di-caduta libera,-e-ne-misura e-controlla il loro movimento con-una precisione senza precedenti. Un-ruolo cruciale di--ASI &---INFN 70 Una Nuova Finestra sull’Universo 71 72 73