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La rilevazione diretta delle
Onde Gravitazionali:
il contributo dell’Italia
Simulazione numerica della collissione tra due Buchi Neri "
USA%National-Center-for-Supercomputing-Applications-(NCSA)
Fulvio RicciDipartimento di Fisica
Università di Roma Sapienza
&
INFN Sezione di Roma
La Gravitazione Universale
! Risolve gran parte dei
fenomeni osservati a
Terra e nel Cielo
» L’orbita dei pianeti e
delle comete
» La cause delle maree
» Il moto della Luna e la
perturbazione dovuta
alla Gravita’ del Sole
! Giunge ad una visione
unitaria del lavoro di
Galileo Copernico e
Keplero. 3
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Ma quale è la causa ultima di questa
forza ?
L’equazione ne riassume bene le
proprietà, ma non ci spiega sino in
fondo quale sia il meccanismo che la
crea!
€
! F = G
M1 M2
r2ˆ r
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Dopo qualche centinaio di anni si
apre una piccola crepa nella teoria
Newtoniana
Lo spostamento del perielio di Mercurio è
+43”/Secolo più grande di quello
previsto dalla teoria di Newton
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Einstein-1905" Relatività-Ristretta-Intervalli-di-Tempo-e-Intervalli-di-Spazio-non-sono-più-quantità-
assolute
Il-tempo-dell’orologio-in-quiete-scorre-più-rapido--di-quello-dell’orologio- in-movimento-
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Einstein-1905" Relatività-Ristretta-Intervalli-di-Tempo-e-Intervalli-di-Spazio-non-sono-più-quantità-
assolute
Il-regolo in-moto è più corto del-regolo fermo
Come misurare lo spazio"le lunghezze ?
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Metro-campioneconservato nell’UfficioInternazionale di-Pesie-Misure di-Sèvres.
Relatività ristretta"Le misure di-lunghezza dipende dal-sistema di-riferimento !
1983-" nuova convenzioneL’unità di-misura della lunghezza èil metro,-definito come-la-distanzapercorsa dalla luce nel vuoto in-un-intervallo di-tempo-pari a-1/299792458-di-secondo.
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Galileo'Galilei:il'principio'di'Equivalenza
L’eguaglianza'tra'Massa'Inerziale e'Massa'Gravitazionalefa'si'che'tutti'i'corpi'cadano'con'la'stessa'accelerazione,'indipendentemente'dalla'loro'natura
Newton:''IIo legge'della'dinamica
Massa'Inerziale x"""""Accelerazione"""=
Massa'Gravitazionale'''' x""""Campo"Gravitazionale
L’ascensoredi Einstein
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Se-un-ascensore-è-al-suolo,-un-oggetto,- lasciato-andare-dentro-di-esso,-cade-liberamente.
.
Se-un-ascensore-è-nello-spazio,-lontano-da-un-qualunque- campo-gravitazionale,-un-oggetto-lasciato-andare-non-cade.-
.
In-un-ascensore-in-caduta,-un-oggetto-lasciato-andare,-resta-dove-è-e-non-cade-rispetto-a-chi-lo-lascia-andare
Se-l’ascensore-subisce-una-accelerazione-verso-l’alto,-allora-gli-oggetti-fermi-(rispetto-ad-un-osservatore)-cadono- rispetto-all’ascensore
L’omino guarda la luce cheattraversa un ascensore fermorispetto al suolo ed uno in salita
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Laser
AscensoreFermo al-suolo
Ascensoreacceleratoverso-l’alto
L’osservatore conclude/che la/traiettoria della luce è curva"lospazio è curvo !
Nella navicella spazialeaccelerazione e gravità hanno lo stesso effetto
anche sulla traiettoria della luce
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! E’ possibile cancellare localmente il campo
gravitazionale studiando i fenomeni fisici
rispetto ad un sistema di riferimento
uniformemente accelerato
! Tuttavia va osservato che il campo
gravitazionale non è uniforme. Infatti nel caso
di masse puntiformi la legge di Newton ci dice
che
! In generale l’accelerazione gravitazionale
cambia da punto all’altro.
!g =!FM2
=G M1
r2r̂
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Potremmo-allora-pensare-di-limitare- la-nostra-attenzione-a-fenomeni- locali, usando- in-pratica-una-piccola-cabina, dove-gli-effetti-dovuti-alle-differenze-di-accelerazione- siano- trascurabili.Grande"vantaggio:in"queste"cabine"le"leggi"della"relatività"ristretta"sono"applicabili.Grande"svantaggio:per-studiare-i-fenomeni-su-larga-scala-occorre-utilizzare-più-sistemi-di-riferimento-(più-cabine)Ogni"cabina"è"come"la"singola"mappa"di"un"Atlante"GeograficoMa per pianificare percorsi su larga scala è necessariocostruirsi un
Mappamondo
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Gµν=-8πΤµν
Relatività Generale
l’idea essenziale
! La"Gravità non"è vista"come"un"campo"di"forzeB"essaè descritta come"una proprietà dello spazio e"del"tempo» SpazioDtempo"="3"dimensioni spaziali +"tempo! Le Concentrazioni di massa o di energia
distorcono lo spazio tempo
! Gli oggetti seguono il cammino più breve tra ipunti dello spazio tempo"deformatoB"questocammino è lo"stesso per"qualunque tipo di corpo(indipendente dalla sua natura)
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Il tempo scorre più lentamente dove la gravità è meno intensa
Orologi con moto relativo nullo in 2 punti del campo gravitazionale
€
T1 = T2{1+ g(h1 − h2)
c 2}
Effetto-correttivo-importante-per-il-Global-Position-System-(GPS)
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Una predizione della Teoria di
Einstein…
La deflessione della luce
Sir Arthur Eddington
(1919)
Le frecce arancioni indicano la posizione
apparente della galassia distante.
Le frecce grige indicano il reale percorso della
luce
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Le Onde Gravitazionali
!Una conseguenza cruciale dellaRelatività Speciale è che tutte le"informazioni si progano con"velocità finita
!Quindi l’informazione del"cambiamento della struttura dellospazio tempo,"dovuta ad"un’accelerazione delle masse"chedeformano lo"spazio,"si propagaalla velocità della luce
Onde Gravitazionali
La radiazione
gravitazionale emessa
durante la fase di
spiraleggaimento
di due oggetti compatti
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Prova indiretta dell’esistenzadelle Onde Gravitazionali
Hulse & Taylor
•
•
17 / sec
Sistema binario di
stelle compatte•
• separazione ~ 106 km
• m1 = 1.4 masse solari
• m2 = 1.36 masse solari
• eccentricità = 0.617
period ~ 8 hr
PSR 1913 + 16
Timing of pulsars
Predizione
della
Relatività Generale
• riduzione progressiva
dell’orbita 3 mm/orbita
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La Rivelazione delle ONDE GRAVITAZIONALI -4
Le quantità d’energia emesse nei processi stellari sono
enormi. Ma la sorgente è lontana e l’energia tipicamente si
disperde in tutto l’universo e noi possiamo raccoglierne
solo una frazione piccola.
Distanza : 10 kparsec = 3 1020 mEnergia emessa: 1040 JouleEffetto geometrico a Terra:
h= 10-21
h rappresenta il cambiamento sulla Terra della distanza relativa tra due punti
In altre parolo se pongo due corpi ad una distanza di 1 km l’uno rispetto all’altro, lo spostamento da misurare è
ΔL = h x 1000 = 10-18 m
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Quanto piccola è lo spostamento
che dovremo misurare?
Lunghezza d’onda della luce ~ 1
micron
100÷
1 metro
Capello umano ~ 100
microns
000,10÷
Sensibilità di VIRGo 10n18 m000,1÷
Diametro Nucleare 10n15 m000,100÷
Diametro atomico 10n10 m000,10÷
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Rivelazione diretta
Rivelatori
spaziali
LISA
Onde da sorgenti
Astrofisiche
Rivelatori Terrestri
LIGO e Virgo
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La Rivelazione delle ONDE GRAVITAZIONALI - 1
Quando la nostra regione di spazio è investita dall’ Onda Gravitazionale, cambiano le proprietà geometriche dello spazio
Rivelatori a BarraThe Pioneer: Joseph Weber
Le-barre criogeniche1980- % 2010-
Le barre a temperatura ambiente(1960 -1980)
G.V. Pallottino, I. Modena, G. Pizzella, E. Amaldi, E. Serrani, P. Carelli, G. Lucano, U. GiovanardiRanelli, Foco
1974Snam Progetti - Monterotondo
M.-Cerdonio
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Usare la-Luce-per--rilevare le-ONDE-GRAVITAZIONALI-
Come possiamo renderci conto che stanno cambiando le proprietà geometriche dello spazio?
Anche il nostro metro campione si deforma!!
Noi possiamo però misurare il tempo che luce impiega a fare un viaggio di andata e ritorno tra due punti localmente liberi da effetti gravitazionali, perchè la velocità della luce è sempre pari a c.
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L’effetto dell’Onda Gravitazionale è analogo a quello di una
forza di marea.
Se ho tre corpi distribuiti come una L, quando un tratto si
allunga l’altro si accorcia e viceversa
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L’INTERFEROMETRIA e le ONDE GRAVITAZIONALI -2
Il segnale d’uscita di un interferometro Michelson dipende dalla differenza dei tempi di transito della luce nei due bracci, ovvero dalla differenza di lunghezza dei due bracci.
La variazione di lunghezza di un braccio è
ΔL = h *L
A parità di h, tanto più è grande Lquanto più è grande è il segnale
dell’interferometro ΔL
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L’INTERFEROMETRIA"a"Terra"e"le"ONDE"GRAVITAZIONALI"
Come allungare il cammino della luce: le Linee di Ritardo Ottiche
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L’INTERFEROMETRIA"a"Terra"e"le"ONDE"GRAVITAZIONALI"
Il tempo di permanenza della luce nei bracci viene allungato costruendo delle cavità ottiche dove la luce rimbalza avanti ed indietro prime di uscire.Due tecniche possibili: a) Linee di Ritardo Ottiche, b) Cavità Fabry-Perot
Beam splitter
Photo detector
L
L
Alain-Brillet Adalberto Giazotto
VIRGO O
Proposal for the construction
of a large ínterferometric
detector of Gravitational waves
Submitted : May 1989
Revised : January 1990
1985:Marcel GrossmannMeeting
Proposta presentata nel 1989- -%%%%%% Approvata nel 1992
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Il segnale è ΔL ~100 km * 10-21 = 10-16 m, quindi è fondamentale limitare tutte le sorgenti di rumore dell’interferometro.
Sorgenti'di'Rumore
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OTTICA: gli specchi
Substrato: SiO2
35 cm di diametro,
10 cm spessore
Omogeneità < 5 x 10n7
Uniformità della
superficie< 1 10 n9 m
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CPU
PPC
Motor
Driver
Dual
Port
RAM
DAC1D1
ADC1D1
DSP1D1
DSP1L1
Timing
DOL DAC1L1
DAC1L1
Dual
Port
RAM
ADC1D1
ADC1D1
VME bus
VSB bus 1 VBeX bus 1 VSB bus 2
VBeX bus 2
Schema del Controllo Elettronico
Superattenuatore
Sensors
Coil Drivers
Motors
Sensors
Sensors
Coil Drivers
Coil Drivers
Position &
Damping
DSP:- 96 bit- 60 MFLOPs
DAC:- 8 Chan.- 20 bit- 500 KHz
ADC:- 8 Chan.-16 bit SAR- 200 KHz
Acc. Sens:- 10-9 m/s2
- 0 – 100Hz- f.s. 1g
H1% Hanford-– Washington- state
L1% Livingston-– Louisiana-state
Virgo-– Cascina-(Pisa)-– EGO-site
GEO600-– Hannover- % Germany-
La'rete'di'rivelatori in'funzione dal'2007
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L’orizzonte dei rivelatori si allargaLa-sensibilità-è-migliorata-progressivamente-e-l’orizzonte,-la-distanza-a-cui-riusciano a-“sentire”-con-le-onde-gravitazionali,-si-è-dilatata:
2005 Orizzonte:-5 milioni-di-anni-luce-(Andromeda! )2007 (-primo-“Science"Run”-assieme-a-LIGO) Orizzonte-15-milioni-di-anni%luce
2009D2010 (secondo-e-terzo--“Science"Run”--assieme-a-LIGO)2011 (quarto-science-run senza-LIGO-per-puntare-la-Vela)-orizzonte--30-milioni-di-anni%luce-" un-evento-ogni-20%50-anni
2011D2015 graduale-trasformazione-in-Advanced"detectorstraguardo:-decine-di-eventi-all’anno
2015"– Advanced-LIGO-è-pronto-ed-inizia-la-presa-dati
La futura rete di rivelatori avanzati
LIGO-(USA)Hanford,-WA-
and-Livingston,-LA
KAGRA-(Japan)Kamioka
VIRGO(Italia% Francia –Olanda –Polonia%Ungheria)
Cascina,-Italy
INDIGO-(India),-R&D-activity--for-a-4km-Interferometer
I-segnali di-allarme generatidai computer-che analizzano
I-dat in-tempo-reale
14'Settembre 2015'ore'11:50:45'in'Italia
SNR"=24
Hanford
Livingston
Un evento incredibileIl fenomeno è avvenuto a 1.3 miliardi di anni luce da noi
Le due masse che si sono scontrate
36 volte la massa del Sole contro 29 volte la massa del Solehanno prodotto una massa da 62 volte la massa del Sole
E= m c2
3 Masse del sole in energia gravitazionale~5 x10 47 J ~ 1x 1035 kiloToni di TNT
(bomba di Hiroshima ~1.3 x101 kiloToni di TNT)200 Soli evaporati in un secondo!!!!
50 volte più luminoso dell’intero universo visibile66
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Ricadute tecnologicheDiverse-tecnologie usate per-Virgo-sono state-sviluppate in-stretta collaborazionecon-l’industria e-possono avere un-impatto su altre attività scientifiche o-industriali.-
Sistemi di-isolamento sismico e-accelerometri ultrasensibili possono trovareapplicazioni in-altri settori scientifici o-industriali (oscillazioni di-ponti e-grattacieli,-geofisica).
La-più grande camera-a-vuoto d’Europa ha-richiesto lo-sviluppo di-speciali processiproduttivi in-metallurgia e-la-realizzazione di-elementi in-acciaio di-grandi dimensionie-alta precisione.-(Meccanica di-qualita’-in-ambiente depolverizzato,-alto-vuoto)
Superfici ottiche a-bassissima diffusione hanno richiesto la-costruzione di-un-impianto di-deposizione sotto-vuoto di-grandi dimensioni a-Lione (Specchi di-grandidimesioni e-altissima precisione,-laser).
La-richiesta per-l’ottica di-VIRGO-di-un-assorbimento estremamente basso-e-di-unaalta omogeneità,-ha-avuto come-risultato un-notevole miglioramento del-processoproduttivo di-un-tipo di-silice fusa di-altissima qualità,-ora disponibile anche per-altreapplicazioni.
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La futura rete di interferometri
LIGO VirgoKAGRA
INDIGO
Rivelazione simultanea degli eventi gravitazionali dalla rete-mondiale di-antenne
L’Italia ancora in prima filaLISA pathfinder lanciato
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Ha-messo due-masse-di-prova in-un-quasi-perfetta condizione di-caduta libera,-e-ne--misura e-controlla il loro movimento con-una precisione senza precedenti.
Il-lancio è avvenuto il 3-Decembre 2015-at-04:04-UTc (05:04-CET)-tramite illanciatore Vega-dalla base-di-Kourou,-nella Guiana Francese.La-missione durerà 11-mesi e-potrà essere estesa ancora per-altri mesi
Un-ruolo cruciale di--ASI &---INFN
P.I.-prof.-Stefano-Vitale-– Università di-Trento