Onde Gravitazionali:
messaggeri dallo spazio profondo
Viviana Fafone Università degli Studi di Roma “ Tor Vergata” e
INFN
La scoperta delle onde gravitazionali
14 Settembre 2015 alle 11:50:45 ora Italiana
Il giorno 11 febbraio 2016, le Collaborazioni LIGO e VIRGO, durante due
conferenze stampa in contemporanea a Washington DC e a Cascina (Pisa),
annunciano la prima rivelazione diretta di un segnale di onde gravitazionali.
WASHINGTON DC
CASCINA
4Aprile2016
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2
La pubblicazione scienEfica
P HYSICAL
REVIEW
L ETTERS
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12 FEBRUARY 2016
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Phys.Rev.LeP.116,061102(2016)
4Aprile2016
American Physical Society™
V.FAFONE-ONDEGRAVITAZIONALI:MESSAGGERIDALLOSPAZIOPROFONDO
Volume 116, Number 6
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La noEzia fa il giro del mondo…
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Galilei e Newton
@1630
1686
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Gravitazione Universale (1686)
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Gravitazione Universale (1686)
SpiegavamolZproblemiirrisolZin
astronomiaefisicaterrestre
Forzeugualiedoppostetra
coppiedimasse
◦ Eccentricitàdelleorbitedellecomete
◦ Lemaree
◦ Laperturbazionedelmotodellaluna
acausadell’aPrazionedelSole
◦ ScopertadelpianetaNePuno(1846)
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Gravitazione Universale (1686)
Teoriadigrandissimosuccesso,ma…
◦ Unadiscrepanzasperimentale:precessionedelperieliodiMercurio
(5600”/secolo)
GliAstronomiosservavanounadifferenzanellaprecessionedelperielio
diMercuriodi43”/secolorispePoaquantoprevistodaNewton
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Da Newton ad Einstein
Lagravitànonèunaforzamaunaproprietàdellospazio(-tempo)
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La RelaEvità di Einstein
SorpassadefiniZvamenteilconcePo
oPocentescoditempoespazioassoluZ.
IntroduceilconcePodiSpazio-Tempo=
3dimensionsioni+tempo.
Lapercezionedellospazioedeltempoè
relaZva.
Einsteinimpiegòcirca10annipercapire
comeformulareunateoriache
includesselaforzagravitazionaleeche
fossecompaZbileconlarelaZvità
speciale.
Losforzosiconclusenel1915conla
pubblicazionedellaTeoriadella
RelaZvitàGenerale.
PremioNobelnel1921
MarcellGrossmann
G.F.B.Riemann
GregorioRicciCubastro
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La RelaEvità Generale
Lagravitànonèunaforza,maunaproprietàdellospazio-tempo
Lospazio-tempovienecurvatodaicorpidotaZdimassa
“Space'metellsma-erhowtomove;ma-er
tellsspace'mehowtocurve”
(JohnArchibaldWheeler)
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La RelaEvità Generale
Lagravitànonèunaforza,maunaproprietàdellospazio-tempo
Lospazio-tempovienecurvatodaicorpidotaZdimassa
Glioggejsimuovono
lungoilcamminopiù
breveinunospazio-tempo
curvo
PrimosuccessodellarelaZvitàgenerale:risolveladiscrepanzadelcalcolo
NewtonianosullaprecessionedelperieliodiMercurio
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Una nuova previsione della RelaEvità Generale
Ilpercorsodellaluceviene
“piegato”quandoquestapassa
vicinoadunoggePodotatodi
massa(comeilSole)
L’effePoèinversamenteproporzionale
all’angolotrailsoleelastella
Sipotrebbemisuraresoloduranteun’eclissi
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La conferma dalle osservazioni
IlfamosoastronomoingleseSirArthurEddingtonguidòuna
spedizioneperfotografarel’eclissisolaredel29Maggio1919
conlosfondodell’ammassodelleIadi
© Science Museum/Science and Society Picture Library 4Aprile2016
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La conferma dalle osservazioni
IlfamosoastronomoingleseSirArthurEddingtonguidòuna
spedizioneperfotografarel’eclissisolaredel29Maggio1919
conlosfondodell’ammassodelleIadi
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La conferma dalle osservazioni
IlfamosoastronomoingleseSirArthurEddingtonguidòuna
spedizioneperfotografarel’eclissisolaredel29Maggio1919
conlosfondodell’ammassodelleIadi
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La conferma dalle osservazioni
IlfamosoastronomoingleseSirArthurEddingtonguidòuna
spedizioneperfotografarel’eclissisolaredel29Maggio1919
conlosfondodell’ammassodelleIadi
OhleavetheWiseourmeasurestocollate
Onethingatleastiscertain,lighthasweight
Onethingiscertainandtherestdebate
Lightrays,whenneartheSun,donotgostraight.
--ArthurEddington
Deflessione
misurata
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Nessuna
deflessione
0
Einstein
1.75”
Principe
1.61” ± 0.30”
Sobral 1.98” ± 0.12”
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La conferma dalle osservazioni
LondonTimes,6
Novembre1919
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La conferma dalle osservazioni
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Un’applicazione della deflessione della luce: le lenE gravitazionali
DiverseimmaginiapparenZasecondadellaposizionerelaZvadella
sorgenteedellalentegravitazionale
Imageofagalaxycluster(SDSSJ1038+4849–Hubble
SpaceTelescope)
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Effe\ della relaEvità generale sul tempo
Iltemposcorrepiùlentamenteall’aumentaredelcampogravitazionale
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La RelaEvità Generale nel taschino: il GPS
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Un altro effe^o della RelaEvità: le onde gravitazionali
Increspaturedellospazio-tempochesi
propaganoallavelocitàdellaluce
Leondegravitazionalisonogeneratedamasseaccelerate
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Come generare onde gravitazionali (in casa…)
!
Provate nello scantinato! !
M = 1000 kg!
R = 1 m!
1000kg
f = 1000 Hz!
r = 300 m!
!
"
"
"
"
"
" "
1000kg
Credits:B.Barish
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h~10-35
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Vita di una stella
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SorgenE di Onde Gravitazionali
Collassogravitazionale
Allafinedellasuavita,unastellaesplode→supernova
Emissionediondegravitazionali
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SorgenE di Onde Gravitazionali
Stelledineutroni(pulsar)
• Massa~1,4massadelsole,inunraggiodi~10kmàoggejmoltodensi
CampimagneZcimolto
intensi(109Tesla)
+
Rapidarotazione
à
emissionedionde
elePromagneZche(luce
visibile,nderadio)
eondegravitazionali
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SorgenE di Onde Gravitazionali
Sistemibinari
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SorgenE di Onde Gravitazionali
Sistemibinari:duepulsar
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SorgenE di Onde Gravitazionali
Sistemibinari:unastelladineutronieunbuconero(stadiofinale
diunastelladigrandemassa)
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Effe^o dell’onda gravitazionale
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Nell’oblio per circa 40 anni…
IlfaPochenonsiapossibileprodurreondegravitazionalidiintensità
rilevabileinlaboratorio,feceperlungotempocredereaifisicichesi
traPassediunasemplicecuriositàmatemaZca,privadisignificato
fisico…
Finoal1957,quandounfisicoamericano(FelixPirani)dimostrachele
ondegravitazionalitrasportanoenergiaechequestapuòessere
assorbita.
J.Weber
F.Pirani
QuestosZmolaJosephWeber(ilprimoadelineareiprincipifisicialla
basedelfunzionamentodellaseredelmaser)adiniziareunaconcreta
ajvitàdiricerca.
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La ricerca di Weber
DobbiamoaWeberiprimirivelatorifunzionanZelamessaapuntodi
molteideeneglialgoritmiperl’analisideidaZ(inusoancoraoggi).
Nel1969,ilprimoannuncio(nonconfermatodaesperimenZsimili)
dellarivelazionediondegravitazionalidapartediWeber.
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La ricerca a livello internazionale
PerconfermareoconfutareirisultaZdiWeber,diversigruppidiricerca
nelmondoinizianoprogrammiperlarivelazionedelleonde
gravitazionali.
L’ItaliaètraquesZconillavorodiEdoardoAmaldieGuidoPizzella
G.Pizzella
E.Amaldi
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Nel fra^empo…
R.A.Hulse
J.H.Taylor
Scopronoestudiano
ilSistemabinario
PSR1913+16
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PSR 1913+16
Massasimilealnostrosole
mainundiametrodisoli20km
17 / sec"
•
•
~ 8 hr
Duestelledineutroniinorbita
• Separazione=1,000,000km
PrevisionedellaRelaZvitàGenerale
• Siavvicinanodi3mm/orbita
• Periodoorbitalecambianeltempo
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Dimostrazione dell’esistenza delle onde grav.
No GWs
PremioNobelnel1993
General
Relativity
Prediction
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Rivelatori alla Weber avanzaE: NauElus
Maggiorisolamentodelrivelatoredaidisturbiesterni
Raffreddatoatemperatureprossimeallozeroassoluto:T~0.1K
MigliaiadivoltepiùsensibiledeirivelatoridiWeber
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Rivelare le onde gravitazionali con la luce
RainerWeiss
Interferometrodi
Michelson
EffePoesageratamentegrande!
L’effePoprodoPosulrivelatoreèproporzionaleallalunghezzadeibraccidell’interferometro
àservonobraccimoltolunghi
• ampiezzadell’onda~10-21
• L=1km
-18m
àΔL~10
ΔL ≈ hL
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Quanto è piccolo 10-18 m?
Unmetro
÷ 10,000
Capelloumano~10-4m(0.1mm)
÷ 100
DimensionediunbaLerio~10-6m
÷ 10,000
Diametroatomico10-10m
÷ 100,000
Diametroprotone10-15m
÷ 1,000
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Ondagravitazionale10-18m
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Rivelare le onde gravitazionali con la luce
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Il rivelatore Virgo (Cascina, Pisa)
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La Collaborazione Virgo
• 5paesieuropei,19laboratori,~250membri
• ScienziaZdaItaliaeFrancia(fondatoridiVirgo),Olanda,PoloniaeUngheria
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LIGO ScienEfic CollaboraEon
www.ligo.org
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900+ members, 80+ institutions, 16 countries
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Isolamento dalle vibrazioni della terra
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Gli specchi e le loro sospensioni
T
M
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Sistemi o\ci di grandissima precisione
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Il sistema da vuoto più grande d’Europa
Trappolecriogenicheall’azotoliquido
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Uno sforzo «mondiale»
LIGOIndia
(recentemente
approvato)
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La scoperta
14Se&embre2015alle10:50:45oraItaliana
Hanford
Livingston
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14 Se^embre 2015 – L’evento
Hanford
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Livingston
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Il segnale rivelato dagli osservatori LIGO
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Il segnale e la sorgente
Ringdown
Inspiral
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Merger
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La sorgente (l’osservazione)
Sistemabinariodibuchineri
• M1=36Msol
• M2=29Msol
• Massafinale=62Msol
• Distanza=410MPc~
1,3Miliardidianni-luce
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L’astronomia gravitazionale
LeOndeGravitazionalisonoingradodirivelare
dellecara-eris'chedellesorgen'chenonpossono
esserericavatedalleosservazioniconleonde
ele-romagne'che,iraggicosmicioineutrini
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Cosmologia con le onde gravitazionali
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•
•
•
•
•
•
•
•
1915EinsteinpubblicaleteoriadellaRelaZvitàGenerale
1916Einsteinpredicel’esistenzadelleondegravitazionali
1960Webercostruisceiprimirivelatori
1974TayloreHulsedimostranol’esistenzadelleonde
gravitazionali(Nobelnel1993)
1990RivelatoribarrerisonanZcriogeniciinfunzione
2005Rivelatoriinterferometriciinoperazione
2015RivelatoriinterferometriciavanzaZinpresadaZ
2015,SeLembrePrimarivelazionedirePa
CiaspeLaunfuturoriccodinuovescoperte!
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