Onde Gravitazionali: messaggeri dallo spazio profondo
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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 V.FAFONE-ONDEGRAVITAZIONALI:MESSAGGERIDALLOSPAZIOPROFONDO 2 La pubblicazione scienEfica P HYSICAL REVIEW L ETTERS ™ Member Subscription Copy Library or Other Institutional Use Prohibited Until 2017 Articles published week ending 12 FEBRUARY 2016 229,000paperdownloadsfromAPSinthefirst 24hours Published by Phys.Rev.LeP.116,061102(2016) 4Aprile2016 American Physical Society™ V.FAFONE-ONDEGRAVITAZIONALI:MESSAGGERIDALLOSPAZIOPROFONDO Volume 116, Number 6 3 La noEzia fa il giro del mondo… 4Aprile2016 V.FAFONE-ONDEGRAVITAZIONALI:MESSAGGERIDALLOSPAZIOPROFONDO 4 Galilei e Newton @1630 1686 4Aprile2016 V.FAFONE-ONDEGRAVITAZIONALI:MESSAGGERIDALLOSPAZIOPROFONDO 5 Gravitazione Universale (1686) 4Aprile2016 V.FAFONE-ONDEGRAVITAZIONALI:MESSAGGERIDALLOSPAZIOPROFONDO 6 Gravitazione Universale (1686) SpiegavamolZproblemiirrisolZin astronomiaefisicaterrestre Forzeugualiedoppostetra coppiedimasse ◦ Eccentricitàdelleorbitedellecomete ◦ Lemaree ◦ Laperturbazionedelmotodellaluna acausadell’aPrazionedelSole ◦ ScopertadelpianetaNePuno(1846) 4Aprile2016 V.FAFONE-ONDEGRAVITAZIONALI:MESSAGGERIDALLOSPAZIOPROFONDO 7 Gravitazione Universale (1686) Teoriadigrandissimosuccesso,ma… ◦ Unadiscrepanzasperimentale:precessionedelperieliodiMercurio (5600”/secolo) GliAstronomiosservavanounadifferenzanellaprecessionedelperielio diMercuriodi43”/secolorispePoaquantoprevistodaNewton 4Aprile2016 V.FAFONE-ONDEGRAVITAZIONALI:MESSAGGERIDALLOSPAZIOPROFONDO 8 Da Newton ad Einstein Lagravitànonèunaforzamaunaproprietàdellospazio(-tempo) 4Aprile2016 V.FAFONE-ONDEGRAVITAZIONALI:MESSAGGERIDALLOSPAZIOPROFONDO 9 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 4Aprile2016 V.FAFONE-ONDEGRAVITAZIONALI:MESSAGGERIDALLOSPAZIOPROFONDO 10 La RelaEvità Generale Lagravitànonèunaforza,maunaproprietàdellospazio-tempo Lospazio-tempovienecurvatodaicorpidotaZdimassa “Space'metellsma-erhowtomove;ma-er tellsspace'mehowtocurve” (JohnArchibaldWheeler) 4Aprile2016 V.FAFONE-ONDEGRAVITAZIONALI:MESSAGGERIDALLOSPAZIOPROFONDO 11 La RelaEvità Generale Lagravitànonèunaforza,maunaproprietàdellospazio-tempo Lospazio-tempovienecurvatodaicorpidotaZdimassa Glioggejsimuovono lungoilcamminopiù breveinunospazio-tempo curvo PrimosuccessodellarelaZvitàgenerale:risolveladiscrepanzadelcalcolo NewtonianosullaprecessionedelperieliodiMercurio 4Aprile2016 V.FAFONE-ONDEGRAVITAZIONALI:MESSAGGERIDALLOSPAZIOPROFONDO 12 Una nuova previsione della RelaEvità Generale Ilpercorsodellaluceviene “piegato”quandoquestapassa vicinoadunoggePodotatodi massa(comeilSole) L’effePoèinversamenteproporzionale all’angolotrailsoleelastella Sipotrebbemisuraresoloduranteun’eclissi 4Aprile2016 V.FAFONE-ONDEGRAVITAZIONALI:MESSAGGERIDALLOSPAZIOPROFONDO 13 La conferma dalle osservazioni IlfamosoastronomoingleseSirArthurEddingtonguidòuna spedizioneperfotografarel’eclissisolaredel29Maggio1919 conlosfondodell’ammassodelleIadi © Science Museum/Science and Society Picture Library 4Aprile2016 V.FAFONE-ONDEGRAVITAZIONALI:MESSAGGERIDALLOSPAZIOPROFONDO 14 La conferma dalle osservazioni IlfamosoastronomoingleseSirArthurEddingtonguidòuna spedizioneperfotografarel’eclissisolaredel29Maggio1919 conlosfondodell’ammassodelleIadi 4Aprile2016 V.FAFONE-ONDEGRAVITAZIONALI:MESSAGGERIDALLOSPAZIOPROFONDO 15 La conferma dalle osservazioni IlfamosoastronomoingleseSirArthurEddingtonguidòuna spedizioneperfotografarel’eclissisolaredel29Maggio1919 conlosfondodell’ammassodelleIadi 4Aprile2016 V.FAFONE-ONDEGRAVITAZIONALI:MESSAGGERIDALLOSPAZIOPROFONDO 16 La conferma dalle osservazioni IlfamosoastronomoingleseSirArthurEddingtonguidòuna spedizioneperfotografarel’eclissisolaredel29Maggio1919 conlosfondodell’ammassodelleIadi OhleavetheWiseourmeasurestocollate Onethingatleastiscertain,lighthasweight Onethingiscertainandtherestdebate Lightrays,whenneartheSun,donotgostraight. --ArthurEddington Deflessione misurata 4Aprile2016 Nessuna deflessione 0 Einstein 1.75” Principe 1.61” ± 0.30” Sobral 1.98” ± 0.12” V.FAFONE-ONDEGRAVITAZIONALI:MESSAGGERIDALLOSPAZIOPROFONDO 17 La conferma dalle osservazioni LondonTimes,6 Novembre1919 4Aprile2016 V.FAFONE-ONDEGRAVITAZIONALI:MESSAGGERIDALLOSPAZIOPROFONDO 18 La conferma dalle osservazioni 4Aprile2016 V.FAFONE-ONDEGRAVITAZIONALI:MESSAGGERIDALLOSPAZIOPROFONDO 19 Un’applicazione della deflessione della luce: le lenE gravitazionali DiverseimmaginiapparenZasecondadellaposizionerelaZvadella sorgenteedellalentegravitazionale Imageofagalaxycluster(SDSSJ1038+4849–Hubble SpaceTelescope) 20 4Aprile2016 V.FAFONE-ONDEGRAVITAZIONALI:MESSAGGERIDALLOSPAZIOPROFONDO Effe\ della relaEvità generale sul tempo Iltemposcorrepiùlentamenteall’aumentaredelcampogravitazionale 4Aprile2016 V.FAFONE-ONDEGRAVITAZIONALI:MESSAGGERIDALLOSPAZIOPROFONDO 21 La RelaEvità Generale nel taschino: il GPS 4Aprile2016 V.FAFONE-ONDEGRAVITAZIONALI:MESSAGGERIDALLOSPAZIOPROFONDO 22 Un altro effe^o della RelaEvità: le onde gravitazionali Increspaturedellospazio-tempochesi propaganoallavelocitàdellaluce Leondegravitazionalisonogeneratedamasseaccelerate 4Aprile2016 V.FAFONE-ONDEGRAVITAZIONALI:MESSAGGERIDALLOSPAZIOPROFONDO 23 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 4Aprile2016 h~10-35 V.FAFONE-ONDEGRAVITAZIONALI:MESSAGGERIDALLOSPAZIOPROFONDO 24 Vita di una stella 4Aprile2016 V.FAFONE-ONDEGRAVITAZIONALI:MESSAGGERIDALLOSPAZIOPROFONDO 25 SorgenE di Onde Gravitazionali Collassogravitazionale Allafinedellasuavita,unastellaesplode→supernova Emissionediondegravitazionali 4Aprile2016 V.FAFONE-ONDEGRAVITAZIONALI:MESSAGGERIDALLOSPAZIOPROFONDO 26 SorgenE di Onde Gravitazionali Stelledineutroni(pulsar) • Massa~1,4massadelsole,inunraggiodi~10kmàoggejmoltodensi CampimagneZcimolto intensi(109Tesla) + Rapidarotazione à emissionedionde elePromagneZche(luce visibile,nderadio) eondegravitazionali 4Aprile2016 V.FAFONE-ONDEGRAVITAZIONALI:MESSAGGERIDALLOSPAZIOPROFONDO 27 SorgenE di Onde Gravitazionali Sistemibinari 4Aprile2016 V.FAFONE-ONDEGRAVITAZIONALI:MESSAGGERIDALLOSPAZIOPROFONDO 28 SorgenE di Onde Gravitazionali Sistemibinari:duepulsar 4Aprile2016 V.FAFONE-ONDEGRAVITAZIONALI:MESSAGGERIDALLOSPAZIOPROFONDO 29 SorgenE di Onde Gravitazionali Sistemibinari:unastelladineutronieunbuconero(stadiofinale diunastelladigrandemassa) 4Aprile2016 V.FAFONE-ONDEGRAVITAZIONALI:MESSAGGERIDALLOSPAZIOPROFONDO 30 Effe^o dell’onda gravitazionale 4Aprile2016 V.FAFONE-ONDEGRAVITAZIONALI:MESSAGGERIDALLOSPAZIOPROFONDO 31 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. 4Aprile2016 V.FAFONE-ONDEGRAVITAZIONALI:MESSAGGERIDALLOSPAZIOPROFONDO 32 La ricerca di Weber DobbiamoaWeberiprimirivelatorifunzionanZelamessaapuntodi molteideeneglialgoritmiperl’analisideidaZ(inusoancoraoggi). Nel1969,ilprimoannuncio(nonconfermatodaesperimenZsimili) dellarivelazionediondegravitazionalidapartediWeber. 4Aprile2016 V.FAFONE-ONDEGRAVITAZIONALI:MESSAGGERIDALLOSPAZIOPROFONDO 33 La ricerca a livello internazionale PerconfermareoconfutareirisultaZdiWeber,diversigruppidiricerca nelmondoinizianoprogrammiperlarivelazionedelleonde gravitazionali. L’ItaliaètraquesZconillavorodiEdoardoAmaldieGuidoPizzella G.Pizzella E.Amaldi 4Aprile2016 V.FAFONE-ONDEGRAVITAZIONALI:MESSAGGERIDALLOSPAZIOPROFONDO 34 Nel fra^empo… R.A.Hulse J.H.Taylor Scopronoestudiano ilSistemabinario PSR1913+16 4Aprile2016 V.FAFONE-ONDEGRAVITAZIONALI:MESSAGGERIDALLOSPAZIOPROFONDO 35 PSR 1913+16 Massasimilealnostrosole mainundiametrodisoli20km 17 / sec" • • ~ 8 hr Duestelledineutroniinorbita • Separazione=1,000,000km PrevisionedellaRelaZvitàGenerale • Siavvicinanodi3mm/orbita • Periodoorbitalecambianeltempo 4Aprile2016 V.FAFONE-ONDEGRAVITAZIONALI:MESSAGGERIDALLOSPAZIOPROFONDO 36 Dimostrazione dell’esistenza delle onde grav. No GWs PremioNobelnel1993 General Relativity Prediction 4Aprile2016 V.FAFONE-ONDEGRAVITAZIONALI:MESSAGGERIDALLOSPAZIOPROFONDO 37 Rivelatori alla Weber avanzaE: NauElus Maggiorisolamentodelrivelatoredaidisturbiesterni Raffreddatoatemperatureprossimeallozeroassoluto:T~0.1K MigliaiadivoltepiùsensibiledeirivelatoridiWeber 4Aprile2016 V.FAFONE-ONDEGRAVITAZIONALI:MESSAGGERIDALLOSPAZIOPROFONDO 38 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 4Aprile2016 V.FAFONE-ONDEGRAVITAZIONALI:MESSAGGERIDALLOSPAZIOPROFONDO 39 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 4Aprile2016 Ondagravitazionale10-18m V.FAFONE-ONDEGRAVITAZIONALI:MESSAGGERIDALLOSPAZIOPROFONDO 40 Rivelare le onde gravitazionali con la luce 4Aprile2016 V.FAFONE-ONDEGRAVITAZIONALI:MESSAGGERIDALLOSPAZIOPROFONDO 41 Il rivelatore Virgo (Cascina, Pisa) 4Aprile2016 V.FAFONE-ONDEGRAVITAZIONALI:MESSAGGERIDALLOSPAZIOPROFONDO 42 La Collaborazione Virgo • 5paesieuropei,19laboratori,~250membri • ScienziaZdaItaliaeFrancia(fondatoridiVirgo),Olanda,PoloniaeUngheria 4Aprile2016 V.FAFONE-ONDEGRAVITAZIONALI:MESSAGGERIDALLOSPAZIOPROFONDO 43 LIGO ScienEfic CollaboraEon www.ligo.org 4Aprile2016 900+ members, 80+ institutions, 16 countries V.FAFONE-ONDEGRAVITAZIONALI:MESSAGGERIDALLOSPAZIOPROFONDO 44 Isolamento dalle vibrazioni della terra 4Aprile2016 V.FAFONE-ONDEGRAVITAZIONALI:MESSAGGERIDALLOSPAZIOPROFONDO 45 Gli specchi e le loro sospensioni T M 4Aprile2016 V.FAFONE-ONDEGRAVITAZIONALI:MESSAGGERIDALLOSPAZIOPROFONDO 46 Sistemi o\ci di grandissima precisione 4Aprile2016 V.FAFONE-ONDEGRAVITAZIONALI:MESSAGGERIDALLOSPAZIOPROFONDO 47 Il sistema da vuoto più grande d’Europa Trappolecriogenicheall’azotoliquido 4Aprile2016 V.FAFONE-ONDEGRAVITAZIONALI:MESSAGGERIDALLOSPAZIOPROFONDO 48 Uno sforzo «mondiale» LIGOIndia (recentemente approvato) 4Aprile2016 V.FAFONE-ONDEGRAVITAZIONALI:MESSAGGERIDALLOSPAZIOPROFONDO 49 La scoperta 14Se&embre2015alle10:50:45oraItaliana Hanford Livingston 4Aprile2016 V.FAFONE-ONDEGRAVITAZIONALI:MESSAGGERIDALLOSPAZIOPROFONDO 50 14 Se^embre 2015 – L’evento Hanford 4Aprile2016 Livingston V.FAFONE-ONDEGRAVITAZIONALI:MESSAGGERIDALLOSPAZIOPROFONDO 51 Il segnale rivelato dagli osservatori LIGO 4Aprile2016 V.FAFONE-ONDEGRAVITAZIONALI:MESSAGGERIDALLOSPAZIOPROFONDO 52 Il segnale e la sorgente Ringdown Inspiral 4Aprile2016 Merger V.FAFONE-ONDEGRAVITAZIONALI:MESSAGGERIDALLOSPAZIOPROFONDO 53 La sorgente (l’osservazione) Sistemabinariodibuchineri • M1=36Msol • M2=29Msol • Massafinale=62Msol • Distanza=410MPc~ 1,3Miliardidianni-luce 4Aprile2016 V.FAFONE-ONDEGRAVITAZIONALI:MESSAGGERIDALLOSPAZIOPROFONDO 54 L’astronomia gravitazionale LeOndeGravitazionalisonoingradodirivelare dellecara-eris'chedellesorgen'chenonpossono esserericavatedalleosservazioniconleonde ele-romagne'che,iraggicosmicioineutrini 4Aprile2016 V.FAFONE-ONDEGRAVITAZIONALI:MESSAGGERIDALLOSPAZIOPROFONDO 55 Cosmologia con le onde gravitazionali 4Aprile2016 V.FAFONE-ONDEGRAVITAZIONALI:MESSAGGERIDALLOSPAZIOPROFONDO 56 • • • • • • • • 1915EinsteinpubblicaleteoriadellaRelaZvitàGenerale 1916Einsteinpredicel’esistenzadelleondegravitazionali 1960Webercostruisceiprimirivelatori 1974TayloreHulsedimostranol’esistenzadelleonde gravitazionali(Nobelnel1993) 1990RivelatoribarrerisonanZcriogeniciinfunzione 2005Rivelatoriinterferometriciinoperazione 2015RivelatoriinterferometriciavanzaZinpresadaZ 2015,SeLembrePrimarivelazionedirePa CiaspeLaunfuturoriccodinuovescoperte! 4Aprile2016 V.FAFONE-ONDEGRAVITAZIONALI:MESSAGGERIDALLOSPAZIOPROFONDO 57 4Aprile2016 V.FAFONE-ONDEGRAVITAZIONALI:MESSAGGERIDALLOSPAZIOPROFONDO 58
