La scoperta delle onde gravitazionali - Virgo Padova-Trento
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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!
