LE ONDE GRAVITAZIONALI UN PO DI STORIA

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2 LE ONDE GRAVITAZIONALI UN PO DI STORIA

3 LA STORIA Nasce la relatività ristretta e il concetto di spazio-tempo Spazio e tempo sono connessi, distanze e tempi non sono assoluti Einstein propone il principio di equivalenza forte Per tutte le leggi fisiche, un campo gravitazionale è localmente equivalente ad un sistema di riferimento accelerato Fondamento della descrizione geometrica della gravità

4 LA STORIA Nasce la relatività generale La gravità è descritta come curvatura dello spazio-tempo La materia dice allo spazio come curvarsi e lo spazio curvo dice alla materia come muoversi (John Wheeler) Einstein formula il concetto di onde gravitazionali Sono increspature dello spaziotempo che si propagano alla velocità della luce Sono prodotte da masse in moto accelerato

5 LA STORIA 1916 Spiegazione dell avanzamento del perielio di Mercurio osservazione modello 1850 s relatività generale 5600 /secolo 5557 /secolo +43 /secolo 1919 Eddington osserva la deflessione della luce durante un eclissi solare relatività generale +1.8

6 PROVA INDIRETTA Nel 1974, Hulse e Taylor scoprono il sistema binario PSR pulsar Taylor e Weisberg misurano nell arco di vari anni la variazione del periodo Stabiliscono che il sistema sta perdendo energia a causa dell emissione di onde gravitazionali in perfetto accordo con la teoria di Einstein prima prova indiretta dell esistenza delle onde gravitazionali

7 LA RICERCA DIRETTA : ANTENNE Anni 60 Anni 90 Weber progetta e costruisce il primo rivelatore a barra Vengono costruiti altri rivelatori a barra, tra i quali AURIGA IGEC Laboratori Nazionali di Legnaro, Padova Rete internazionale di rivelatori a barre

8 LA RICERCA DIRETTA : INTERFEROMETRI 1971 Primo prototipo (2m) 1989 Prima proposta per LIGO, Virgo e GEO Anni LIGO & Virgo operativi LIGO Advanced Discovery! Virgo 2016 Virgo Advanced?

9 COME SI RIVELANO LE ONDE GRAVITAZIONALI?

10 COME INTERAGISCONO? Le onde gravitazionali sono onde a due componenti di polarizzazione (h +, h x ) che oscillano ortogonalmente alla direzione di propagazione h + h x L D L Al passaggio di un onda gravitazionale lo spazio-tempo viene deformato Gli oggetti subiscono una variazione D L proporzionale all ampiezza h dell onda e alla lunghezza L dell oggetto h D L L

11 COS È UN INTERFEROMETRO? L interferometro è uno strumento molto preciso che sfrutta la luce per misurare differenze di lunghezza SPECCHIO h SEPARATORE DI FASCIO SPECCHIO INTERFERENZA h L L 1 1 L L 2 2

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13 L INTERFEROMETRO COME FUNZIONA UN INTERFEROMETRO?

14 TUBI PIENI DI VUOTO! Siccome la presenza di gas residuo perturberebbe la misura, il percorso del fascio di luce tra gli specchi deve trovarsi alla pressione estremamente bassa di atm Virgo è il più grande volume ad ultra vuoto in Europa (6800 m 3 )!!!

15 LA TERRA VIBRA CONTINUAMENTE! Superattenuatore (Virgo) riduce le vibrazioni sismiche degli specchi di almeno un fattore m 15 Specchio 42kg

16 GLI INTERFEROMETRI HANFORD LIVINGSTONE VIRGO

17 COSA CERCHIAMO?

18 SORGENTI DI ONDE GRAVITAZIONALI Segnali Transienti : segnali di breve durata ( ) sec Groun Collasso di sistemi binari Stella di Neutroni Stella di Neutroni Stella di Neutroni Buco Nero Buco Nero Buco Nero La Relatività Generale fornisce il modello delle forme d onda aspettate Collasso di supernova (SN) I modelli delle forma d onda non ben conosciuti

19 SORGENTI DI ONDE GRAVITAZIONALI Segnali Continui Ground-based Stelle a Neutroni (Pulsars) Oggetti compatti velocemente rotanti con una distribuzione asimmetrica di massa La Relatività Generale fornisce il modello delle forme d onda aspettate Vela Pulsar Fondo Cosmico Onde Gravitazionali Residuo del Big Bang Fondo incoerente di sorgenti di onde gravitazionali NASA/WMAP Science Team

20 Onde Gravitazionali da sistemi binari compatti SPIRALEGGIAMENTO FUSIONE SMORZAMENTO Le onde gravitazionali prodotte nella fase di spiraleggiamento negli ultimi cicli possono essere rivelate degli interferometri Sono disponibili solo soluzioni numeriche Soluzioni numeriche o perturbative Verifica della relatività generale in un regime di forte non linearità

21 COME CERCHIAMO?

22 COSA VEDONO I RIVELATORI? Onda Gravitazionale Sorgente Tempo di Coalescenza (sec) Rivelatore Il SEGNALE misurato e contaminato dal RUMORE del rivelatore

23 LA RICERCA DEL SEGNALE I rivelatori registrano i dati I programmi analizzano i dati minuti/ore Eventuali candidati inviati ai telescopi giorni/mesi Verifica significanza dei candidati Rumore Segnale

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25 14 SETTEMBRE :50:45 UTC LA SCOPERTA

26 14 SETTEMBRE :50:45 UTC LA SCOPERTA (Beh, in realta 1.3 miliardi di anni fa)

27 IL SEGNALE ARRIVA SULLA TERRA

28 LIGO VEDE L EVENTO 14 SETTEMBRE :50:45 UTC 7 MSEC PIU TARDI I DUE SEGNALI COINCIDONO! Il segnale di Hanford e spostato di 7msec e cambiato di segno

29 I SUSSURRI DELL ONDA

30 IL PRIMO AVVISTAMENTO Arrivo 11:50:45 - Allarme 11:53 GW : La prima immagine

31 GW IL SEGNALE LIGO Open Science Center -

32 QUALI OGGETTI HANNO PRODOTTO QUESTO SEGNALE? Analisi dedicate hanno stimato che si tratta di due buchi neri con masse pari a 36 e 29 volte la massa solare e raggio pari rispettivamente a 108 e 87 km Il segnale rivelato è in perfetto accordo con le previsioni della relatività generale c = km/sec Rs ~ 183 km I buchi neri sono gli unici oggetti compatti noti che possono spiraleggiare a questa reciproca distanza (~ 400 km) con tale velocita (~ km/sec)

33 IL BUCO NERO FINALE La massa del buco nero finale è stimata in 62 masse solari ( = 20 milioni di volte la massa della terra ) raggio del buco nero ~ 183 km L GW ~ W L sun ~ W L hulse/taylor ~ W L earth ~ 200 W L'energia rilasciata sotto forma di onde gravitazionali corrisponde a 3 Masse solari!!! 50 volte la potenza di tutte le stelle dell'universo osservabile

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35 E ORA COSA CI ASPETTA?

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

37 LA FUTURA RETE DI RIVELATORI Approved!

38 IL FUTURO DELLA RICERCA DELLE ONDE GRAVITAZIONALI È NELLO SPAZIO elisa (2034) elisa è un interferometro nello spazio costituito da 3 satelliti alla distanza reciproca di 1 milione di km permetterà di vedere le emissioni di centinaia o migliaia di stelle binarie con grande massa a basse frequenze : 0,1 mhz e 1 Hz Il 3 dicembre 2015 è stata lanciata la sonda PathFinder che ha lo scopo di verificare la fattibilita del progetto elisa

39 E PER FINIRE

40 P R L HYSICAL EVIEW Ô ETTERS Member Subscription Copy Library or Other Institutional Use Pr ohibited Until 2017 Articles published week ending 12 FEBRUARY 2016 Published by American Physical Society Ô Volume 116, Number 6

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42 Responsabile progetto squeezing: Primo Ricercatore Jean-Pierre Zendri Ricercatori e post-doc: Gabriele Vedovato analisi dati Livia Conti squeezed light source e nonequilibrium thermal noise Marco Bazzan squeezed light source Claudia Lazzaro analisi dati Dottorandi: Marco Vardaro squeezed light source Tecnici: Lisa Zangrando, Luciano Modanese Laureandi: Tommaso Comellato Responsabile analisi dati: Prof. Giovanni Andrea Prodi Dottorandi: Matteo Di Giovanni analisi dati Matteo Leonardi squeezed light source Shubhanshu Tiwari analisi dati Maria Concetta Tringali analisi dati Tecnici elettronici: Claudio Salomon, Roberto Graziola, Massimo Gennara Laureandi: Michele Valentini

43 Estendo la dedica di Kip Thorne a tutti voi Pasadena Marzo 2015 LIGO-Virgo Collaboration Meeting Kip Thorne parla di Interstellar Dedica per una persona speciale wormhole

44 Mappa delle probabilità direzione dell evento prodotta dall analisi cohrentwaveburst Grazie