La scoperta delle onde gravitazionali

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Gaspare Gattini
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1 Il gruppo Virgo di Padova-Trento La scoperta delle onde gravitazionali Livia Conti Istituto Nazionale di Fisica Nucleare Sezione di Padova

2 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. Con la Teoria della relatività, Albert Einstein scardina questa idea: Lo spazio è un oggetto dinamico, a 4 dimensioni: lo spaziotempo. La materia dice allo spaziotempo come curvarsi e lo spaziotempo curvo dice alla materia come muoversi

3 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 L h D L L D L... 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.

4 Esistono davvero le onde gravitazionali? Prima prova indiretta: PSR a 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

5 PSR / 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

6 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

7 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

8 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

9 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

10 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)

11 Perché la rivelazione diretta delle onde gravitazionali è cosi difficile? La tipica ampiezza h dell onda al suo arrivo sulla terra vale h D L 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

12 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 INTERFERENZA DISTRUTTIVA h L L 1 1 L L 2 2

13 Interferometro Interferometria 13

14 Advanced VIRGO ETMy Input Mode Cleaner ITMy Faraday Isolator POP BS CP ITMx ETMx PRM 200W fiber rod amplifier SRM 1W OMC EOM B1

15 Il Superattenuatore di Virgo riduce le vibrazioni sismiche degli specchi di un fattore (un miliardo di milioni di volte) specchio sospeso

16 Il sistema a vuoto di Virgo il piu grande sistema da ultra-alto-vuoto (10-12 atm) d Europa

17 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

18 IL NETWORK una rete di interferometri osservano in coincidenza cruciale per essere certi della rivelazione e ricostruire la posizione della sorgente

19 Le analisi in real time I rivelatori registrano i dati 19

20 Le analisi in real time I rivelatori registrano i dati I programmi analizzano i dati 3 minuti!!! 20

21 Le analisi in real time I rivelatori registrano i dati 3 minuti!!! I programmi analizzano i dati Eventuali candidati forniti ai telescopi 21

22 14 SETTEMBRE :50:45 UTC LA SCOPERTA

23 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.

24 Il Segnale Ringdown: l oggetto rimanente si stabilizza (frazione di secondo). Inspiral: lunga fase (miliardi di anni) in cui i due oggetti compatti spiraleggiano. Merger: i due oggetti si fondono (frazione di secondo).

25 Il sistema fisico Il segnale rivelato e' in perfetto accordo con le previsioni della relativita' generale. L energia totale emessa dal sistema in energia gravitazionale è pari a 3 masse solari. Il segnale gravitazionale e stato rivelato dalla collisione di due buchi neri a regime altamente relativistico 36 M sole 29 M sole 62 M sole

Quanto dista? 14 Sett 2015 LIGO ascolta 4.

26 Quanto dista? 14 Sett 2015 LIGO ascolta 4.5 h prima Il segnale, che viaggia alla velocita della luce, è entrato nel Sistema Solare anni prima Il segnale entra nella nostra Galassia anni prima Il segnale si genera a nel lontano universo

27 SI È APERTA UNA NUOVA FINESTRA SULL UNIVERSO Gravitational-wave Sky

28 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 l em è piccola rispetto alle dimensioni della sorgente e dello strumento di misura Immagine IR di PistonNebula (Hubble ST) Nel caso gravitaz, la l gw 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.

29 SI È APERTA UNA NUOVA FINESTRA SULL UNIVERSO Gravitational-wave Sky

30 LA FUTURA RETE DI RIVELATORI Approved!

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