Il gruppo Virgo di Padova-Trento
La scoperta
delle onde gravitazionali
Livia Conti
Istituto Nazionale di Fisica Nucleare
Sezione di Padova
www.virgo.lnl.infn.it
Lo spaziotempo
Idea classica della gravità:
Lo spazio è un contenitore a 3 dimensioni, in cui accadono i
fenomeni.
Il tempo è una quantità indipendente, il cui fluire è costante
La gravità è una forza di attrazione tra 2 corpi, istantanea.
Lo spazio è un oggetto dinamico, a 4 dimensioni: lo
spaziotempo.
Con la Teoria della relatività,
La materia dice allo spaziotempo come curvarsi e lo
Albert Einstein scardina questa idea:
spaziotempo curvo dice alla materia come muoversi
Le onde gravitazionali
increspature dello spaziotempo
Si propagano alla velocità della luce e trasportano energia
Effetto del passaggio di un’onda gravitazionale
su una serie di masse di prova disposte ad anello :
Ampiezza dell’onda
h DL
L
L
DL
... esagerando molto:
Esistono davvero le onde gravitazionali?
Prima prova indiretta:
PSR1913+16
a 1.500 anni luce da noi (circa
15 milioni di miliardi di chilometri)
17 / sec
Russell A. Hulse e Joseph H. Taylor, Jr.,
Premio Nobel per la Fisica 1993
per la scoperta di un nuovo tipo di pulsar, una scoperta che
aperto nuove possibilità per lo studio della gravitazione
~ 8 hr
PSR1913+16
17 / sec
~ 8 hr
Il sistema perde energia
emettendo onde gravitazionali
l’orbita rimpicciolisce e
il periodo dell’orbita decresce.
Accordo all’ 1 per mille con la previsione teorica
Generazione di onde gravitazionali
Per produrre onde gravitazionali occorrono:
grandi masse
che si muovono con grandi velocità e accelerazioni
e con una certa asimmetria
Sorgenti astrofisiche
idealmente prossime alla catastrofe
Animazione artistica della coalescenza e
unione di un sistema astrofisico costituito da
una pulsar e una stella compagna
Credit: John Rowe animations
Sorgenti astrofisiche di og
le onde gravitazionali possono essere classificate in base alla loro
evoluzione temporale
Sorgenti di breve durata temporale (‘impulsive’): da 1msec a 1000sec
•Collasso di sistemi binari
Stella di Neutroni – Stella di Neutroni
Stella di Neutroni – Buco Nero
Buco Nero – Buco Nero
•Collasso di supernova
•Instabilità di oggetti compatti: ‘stellamoti’ starquake
Sorgenti astrofisiche di og
le onde gravitazionali possono essere classificate in base alla loro
evoluzione temporale
Sorgenti di breve durata temporale (‘impulsive’): da 1msec a 1000sec
Sorgenti continue:
Oggetti compatti velocemente rotanti con una distribuzione asimmetrica di massa.
Ad esempio, una stella di neutroni che ruota su se’ stessa e che non è un po’ ellittica
Sorgenti astrofisiche di og
le onde gravitazionali possono essere classificate in base alla loro
evoluzione temporale
Sorgenti di breve durata temporale (‘impulsive’): da 1msec a 1000sec
Sorgenti continue:
Oggetti compatti velocemente rotanti con una distribuzione asimmetrica di massa.
Fondo stocastico
•
Fondo incoerente di sorgenti di onde gravitazionali
•
Residuo del Big Bang
Rivelatori di onde gravitazionali
Pioniere Weber (univ Maryland) neli anni ‘60
Seguì rovente dibattito e polemiche .
Altri ricercatori iniziaro a voler ripetere le misure per
confermarele o meno.
Iniziò così la ricerca sperimentale delle onde
gravitazionali, anche in Italia (anni ‘70)
Perché la rivelazione diretta delle onde
gravitazionali è cosi difficile?
La tipica ampiezza h dell’onda al suo arrivo sulla terra vale
DL
h
10 20
L
Questo equivale a cambiare la distanza tra il sole e la stella più vicina
(distante L=40 mila miliardi di km!!) di una quantità pari a un capello
I rivelatori terrestri sono molto più corti: viene richiesto di misurare
variazione di lunghezza dell’ordine di 1/1000 di nucleo atomico
La rivelazione diretta di un onda gravitazionale è una
sfida scientifica e tecnologica formidabile
Rivelatori interferometrici
Il tempo che la luce impiega per percorrere un braccio
dipende dalla sua lunghezza.
L’interferometro trasforma la differenza di lunghezza dei
bracci dovuta all’onda, in differenza di fase tra i fasci
ricombinati che viene poi misurata come una variazione di
potenza incidente sul fotodiodo
INTERFERENZA COSTRUTTIVA
h
INTERFERENZA DISTRUTTIVA
L1 L 2
L1 L 2
Interferometro
Interferometria
13
Advanced VIRGO
ETMy
Input
Mode
Cleaner
ITMy
CP
POP
Faraday
Isolator
ITMx
BS
PRM
200W fiber rod amplifier
SRM
1W
OMC
EOM
B1
ETMx
Il Superattenuatore di Virgo
riduce le vibrazioni sismiche degli specchi di un
fattore 1015 (un miliardo di milioni di volte)
specchio sospeso
Il sistema a vuoto di Virgo
il piu’ grande sistema da
“ultra-alto-vuoto” (10-12 atm) d’Europa
SPECCHI
• Gli specchi (35-55 cm diametro) sono di
altissima qualità ottica e meccanica
– basso assorbimento (1 ppm)
– bassa “rugosità” (~1 nm)
– basso rumore termico
IL NETWORK
• una rete di interferometri osservano “in coincidenza”
• cruciale per essere certi della rivelazione e ricostruire la posizione
della sorgente
Le analisi in real time
…
I rivelatori
registrano i
dati
19
Le analisi in real time
…
I rivelatori
registrano i
dati
I programmi
analizzano i
dati
3 minuti !!!
20
Le analisi in real time
…
I rivelatori
registrano i
dati
I programmi
analizzano i
dati
Eventuali
candidati
forniti ai
telescopi
3 minuti !!!
21
14 SETTEMBRE 2015 9:50:45 UTC
LA SCOPERTA
Cosa abbiamo visto?
Un tipico segnale prodotto da un sistema binario. Ben
distinguibile dalla forma caratteristica della frequenza
che aumenta col tempo: la forma d’onda segue
l’avvicinamento dei due corpi fino alla fusione.
Il Segnale
Ringdown:
l’oggetto
rimanente
si stabilizza
(frazione di
secondo).
Merger:
Inspiral: lunga fase (miliardi di anni)
in cui i due oggetti compatti
spiraleggiano.
i due oggetti
si fondono
(frazione di
secondo).
Il sistema fisico
Il segnale rivelato e' in perfetto
accordo con le previsioni della
relativita' generale.
Il segnale gravitazionale e’
stato rivelato dalla collisione
di due buchi neri a regime
altamente relativistico
L’energia totale emessa dal sistema
in energia gravitazionale è
pari a 3 masse solari.
36 Msole
29 Msole
62 Msole
Quanto dista?
4.5 h prima
Il segnale, che viaggia alla velocita’
della luce, è entrato nel Sistema
Solare
14 Sett 2015
LIGO ascolta
50 103 anni prima
Il segnale entra nella nostra
Galassia
1.2×109 anni prima
Il segnale si genera a
nel lontano universo
SI È APERTA UNA NUOVA FINESTRA
SULL’UNIVERSO
Gravitational-wave Sky
Imaging gravitazionale?
é possibile la ricostruzione dell’immagine (‘imaging’) basata su og,
analogamente a quanto si fa per em? No:
Nel caso em, l’imaging è possibile perchè la lem è piccola rispetto alle
dimensioni della sorgente e dello strumento di misura
Immagine IR di PistonNebula
(Hubble ST)
Nel caso gravitaz, la lgw è comparabile con le dimensioni della
sorgente e dimensioni dello strumento di misura
Si ha solo la forma dell’onda ma :
l’og è essa stessa una ‘immagine’ della sorgente, al contrario del caso em
in cui l’emissione avviene da singoli emettitori incoerenti.
SI È APERTA UNA NUOVA FINESTRA
SULL’UNIVERSO
Gravitational-wave Sky
LA FUTURA RETE DI RIVELATORI
Approved!
