Le onde gravitazionali

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1 Le onde gravitazionali Gianluca Gemme INFN Genova 19 febbraio 2008 Dipartimento di Fisica - Università di Genova

2 La nostra immagine del mondo

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5 Neutrini...

6 Raggi cosmici...

7 Onde elettromagnetiche Onde gravitazionali Sovrapposizione incoerente di contributi di milioni di elettroni, atomi, molecole Movimento coerente di enormi masse: oggetti astronomici Lunghezze d onda piccole ; è possibile guardare dentro alla sorgente Lunghezze d onda grandi ; informazioni sulla dinamica globale del sistema Sono assorbite, deviate e disperse; difficile recuperare le informazioni sulle sorgenti Si propagano indisturbate, conservano l informazione originale

8 Fu Galileo ( ) a compiere i primi studi sistematici sulla forza di gravità Egli dimostrò che la forza di gravità accelera tutti i corpi allo stesso modo (principo di equivalenza)

9 Newton ( ) trattò la gravità come un interazione che agisce a distanza, attraverso lo spazio vuoto, tra tutti i corpi dotati di massa Ne scrisse la legge: siccome F m F G m1 r 2 m 2 a r Eguaglianza di massa inerziale e massa gravitazionale Verificata sperimentalmente al livello di 1 parte su a G m

10 Einstein comprese che la teoria della gravitazione di Newton e la sua teoria della relatività speciale erano incompatibili. Secondo Newton, se la gravità terrestre deve influenzare istantaneamente la Luna, la forza dovrebbe propagarsi per circa 380,000 km in un istante ad una velocità maggiore della luce.

11 Ciò è in contrasto con la teoria di Einstein secondo la quale quella della luce è la velocità limite Riflettendo sulla Teoria della Relatività Speciale, Einstein pensò al modo di estendere la sua teoria per includere la forza gravitazionale

12 q 1 r F q q q r E noto che tra due particelle cariche si esercita una forza elettrostatica Si tratta di un effetto a distanza, la cui entità è inversamente proporzionale al quadrato della separazione fra le cariche Campo: quantità definita in ogni punto dello spazio q 1 q 2 1 E 1 2 Un modo conveniente di 4 0 r F q 2 1 E 1 q descrivere lo stesso effetto si basa sul concetto di campo Ad ogni carica è associato un campo la cui ampiezza è inversamente proporzionale alla distanza dalla particella

13 Il vantaggio della formulazione in termini di campo è che l interazione a distanza tra le cariche si riduce ad una interazione locale tra una carica ed il campo prodotto dalla seconda particella Questione: Il concetto di campo può essere un modo conveniente di descrivere l interazione tra due cariche, ma ha una realtà fisica o è un puro espediente linguistico? Per cariche ferme è sostanzialmente lo stesso Per cariche in movimento il concetto di campo contiene naturalmente l idea della propagazione della forza con velocità finita, cioè di un onda

14 Un onda è una perturbazione del campo, che si propaga alla velocità della luce E trasversale rispetto alla direzione di propagazione r ~ c t Carica in quiete (o in moto rettilineo uniforme) Carica in moto accelerato

15 Einstein trovò (1916) che esistono soluzioni di tipo ondulatorio delle equazioni del campo gravitazionale nelle quali un onda di gravità si propaga alla velocità della luce Come nel caso elettromagnetico si trova che se una massa si sposta rapidamente l informazione del suo spostamento si propaga con una velocità finita e quindi il campo ad una distanza r dalla massa deve attendere un tempo t=r/c per riaggiustarsi

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17 L onda è un onda di marea: contrae e stira periodicamente le distanze

18 Dalla scrittura delle equazioni di Maxwell alla generazione di onde elettromagnetiche in laboratorio passarano una decina di anni Oggi, a circa novanta anni dalla formulazione della teoria di Einstein, siamo ben lontani dalla possibilità di generare onde gravitazionali in laboratorio Le onde gravitazionali sono reali?

19 PSR R. Hulse, J. Taylor (1974) T 8 hr (premio Nobel per la fisica 1993) t 59 msec separate da 10 6 Km m 1 = 1.4m ; m 2 = 1.36m = La diminuzione del periodo orbitale è secondi all anno La diminuzione del semiasse maggiore è 3.5 metri per anno Il tempo che precede il collasso è 300,000,000 anni

20 Rivelatori di onde gravitazionali La rivelazione di o.g. è un compito proibitivo Anche se emesse da sorgenti astrofisiche di enorme potenza (p.es. Le supernovae), la deformazione indotta su un oggetto macroscopico sulla Terra è tipicamente dell ordine di Questo vuol dire p.es. che un oggetto di dimensioni dell ordine del metro si deforma per una quantità relativa che è circa 100,000,000,000 di volte più piccola del diametro dell atomo di idrogeno. Nel corso degli anni sono stati sviluppati due tipi di rivelatori: Le antenne (o sbarre) risonanti Gli interferometri

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22 Le antenne risonanti La prima antenna per o.g. fu realizzata dal prof. John Weber dell Università del Maryland negli anni 60 Era costituita da un cilindro di alluminio, lungo 1.53 m, di diametro 0.66 m e pesante 1400 Kg La frequenza di oscillazione del primo modo risonante longitudinale era 1660 Hz La sbarra era sospesa, in vuoto, ad un filo nel baricentro Weber realizzò due sbarre identiche e ne collocò una nel Maryland, l altra presso Chicago, monitorando eventuali coincidenze

23 PRL, 22 (24), 1969 Circa 150 coincidenze tra i due rivelatori in sei mesi Correlazione con il tempo siderale Sorgente (intensissima) di o.g. al centro della Galassia? Roventi polemiche...

24 In Italia , Weber ed Amaldi a Varenna 1968, W.M. Fairbank a Roma 1970, Amaldi, Pizzella e Ruffini , Cerdonio, Modena, Pallottino , prime antenne a Roma (CNR) 1979, accordo con il CERN 1980, accordo con INFN

25 ALLEGRO Luisiana, USA EXPLORER, CERN, CH AURIGA Legnaro, Italia NAUTILUS, Frascati, Italia NIOBE, Perth, Australia

26 Gli interferometri Nel periodo in cui cominciavano ad infuriare le polemiche sul lavoro di Weber due fisici sovietici, M.E. Gertenshtein and V.I. Pustovoit, suggerirono per primi la possibilità di usare un interferometro alla Michelson-Morley per la rivelazione di o.g. Robert Forward e altri fisici americani iniziarono a lavorare su questa idea fin dai primi anni 70.

27 L interferometro...

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29 Lunghezza del braccio ~ 3 Km Lunghezza ottica ~ 120 Km Frequenza ~ Hz ( Hz) Presa dati dal 2004

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32 Tecnologia dell ultra alto vuoto

33 I superattenuatori

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35 VIRGO è stato finanziato dalla Francia tramite il (Centre National de la Recherche Scientifique) e dall'italia tramite (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare). La costruzione di VIRGO ha combinato con profitto competenze in numerosi settori avanzati della scienza e della tecnologia. VIRGO è il risultato di una stretta collaborazione tra diverse centinaia di fisici, ingegneri e tecnici appartenenti a numerosi laboratori di ricerca (14, compreso INFN Genova). Diverse industrie, quali CNIM (F), SDMS (F), Pirelli (I), Belleli (I), Impregilo (I), Heraeus (D), VAT (CH) hanno partecipato alla realizzazione.

36 Hanford, WA LIGO L 4 Km Presa dati dal 2002 Livingston, LA

37 Livingston

38 Hanford

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41 2 nd generation detectors: Advanced Virgo, Advanced LIGO Enhanced LIGO/Virgo Virgo/LIGO GOAL: sensitivity 10x better look 10x further Detection rate 1000x larger 10 8 ly Intermediate step: Virgo+, Enhanced LIGO, GEO HF Adv. Virgo/Adv. LIGO 2014 Credit: R.Powell, B.Berger

42 F. Dyson Quando qualcosa cessa di essere misteriosa non è più una faccenda interessante per gli scienziati. Essi sognano quasi solo di cose misteriose.