La rilevazione diretta delle Onde Gravitazionali: il contributo dell`Italia

La rilevazione diretta delle
Onde Gravitazionali:
il contributo dell’Italia
Fulvio Ricci
Dipartimento di Fisica
Università di Roma Sapienza
&
INFN Sezione di Roma
Simulazione numerica della collissione tra due Buchi Neri "
USA%National-Center-for-Supercomputing-Applications-(NCSA)
1
Gravity a fundamental force
2
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
!
M1 M 2
ˆ
F =G
r
2
r
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!
4
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
5
Da-Newton-ad-Einstein,-ma-grazie-a-Galileo-
6
Einstein-1905" Relatività-RistrettaIntervalli-di-Tempo-e-Intervalli-di-Spazio-non-sono-più-quantitàassolute
Il-tempo- dell’orologio-in-quiete-scorre-più-rapido-di-quello-dell’orologio- in-movimento-
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Einstein-1905" Relatività-RistrettaIntervalli-di-Tempo-e-Intervalli-di-Spazio-non-sono-più-quantitàassolute
Il-regolo in-moto è più corto del-regolo fermo
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Come misurare lo spazio"le lunghezze ?
Relatività ristretta "Le misure di-lunghezza dipende dalsistema di-riferimento !
Metro-campione
conservato nell’Ufficio
Internazionale di-Pesi
e-Misure di-Sèvres.
1983-" nuova convenzione
L’unità di-misura della lunghezza è
il metro,-definito come-la-distanza
percorsa dalla luce nel vuoto in-unintervallo di-tempo-pari a1/299792458- di-secondo.
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Galileo'Galilei:
il'principio'di'
Equivalenza
L’eguaglianza'tra'Massa'Inerziale e'Massa'Gravitazionale
fa'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
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L’ascensore
di Einstein
Se-un-ascensore-è-al-suolo,un-oggetto,- lasciato-andaredentro-di-esso,-cadeliberamente.
In-un-ascensore-incaduta,-un-oggettolasciato-andare,resta-dove-è-e-noncade-rispetto-a-chilo-lascia-andare
.
Se-un-ascensore-è-nellospazio,-lontano- da-unqualunque- campogravitazionale,-un-oggettolasciato-andare- non-cade..
Se-l’ascensoresubisce-unaaccelerazione-versol’alto,-allora-glioggetti-fermi(rispetto-ad-unosservatore)cadono- rispettoall’ascensore
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L’omino guarda la luce che
attraversa un ascensore fermo
rispetto al suolo ed uno in salita
Ascensore
Fermo al-suolo
Ascensore
accelerato
verso-l’alto
Laser
L’osservatore conclude/che la/traiettoria della luce è curva"lo
spazio è curvo !
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Nella navicella spaziale
accelerazione 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
!
! F
M1
g=
= G 2 r̂
M2
r
! In generale l’accelerazione
cambia da punto all’altro.
gravitazionale
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Potremmo-allora-pensare- di-limitare- la-nostra-attenzione- afenomeni- locali, usando- in-pratica-una-piccola- cabina, dove-glieffetti-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- piùsistemi-di-riferimento-(più-cabine)
Ogni"cabina"è"come"la"singola"mappa" di"un"Atlante"
Geografico
Ma per pianificare percorsi su larga scala è necessario
costruirsi un
Mappamondo
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Relatività Generale
l’idea essenziale
Gµν=-8πΤµν
! La"Gravità
non"è vista"come"un"campo"di"forzeB"essa
è descritta come"una proprietà dello spazio e"del"
tempo
spaziali
!» Gli
oggetti
seguono il cammino
piùobreve
tra i
!SpazioDtempo"="3"dimensioni
Le
Concentrazioni
di massa
di+"tempo
energia
punti
dello spazio
tempo"deformatoB"questo
distorcono
lo spazio
tempo
cammino è lo"stesso per"qualunque tipo di corpo
(indipendente dalla sua natura)
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Relatività Generale
Einstein teorizza che un corpo
massiccio deforma lo spazio e il tempo
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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
}
€
18
Effetto-correttivo-importante-per-il-Global-Position-System-(GPS)
Relatività Generale
Tutti i corpi si muovono attraverso lo
spazio deformato
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Una predizione della Teoria di
Einstein…
Sir Arthur Eddington
(1919)
La deflessione della luce
Le frecce arancioni indicano la posizione
apparente della galassia distante.
Le frecce grige indicano il reale percorso della
luce
20
21
Le Onde Gravitazionali
!Una conseguenza cruciale della
Relatività Speciale è che tutte le"
informazioni si progano con"
velocità finita
!Quindi l’informazione del"
cambiamento della struttura dello
spazio tempo,"dovuta ad"
un’accelerazione delle masse"che
deformano lo"spazio,"si propaga
alla 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’esistenza
delle Onde Gravitazionali
Sistema binario di
stelle compatte
•
•
•
•
17 / sec
•
•
Hulse & Taylor
•
separazione ~ 106 km
m1 = 1.4 masse solari
m2 = 1.36 masse solari
eccentricità = 0.617
Predizione
period ~ 8 hr
della
Relatività Generale
PSR 1913 + 16
Timing of pulsars
• riduzione progressiva
dell’orbita 3 mm/orbita
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Evidenza
“indiretta”
d’esistenza
delle Onde
Gravitazionali
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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 m
Energia emessa:
1040 Joule
Effetto 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?
1 metro
÷ 10,000
÷ 100
÷ 10,000
Capello umano ~ 100
microns
Lunghezza d’onda della luce ~ 1
micron
Diametro atomico 10n10 m
÷ 100,000
Diametro Nucleare 10n15 m
÷ 1,000
Sensibilità di VIRGo 10n18 m
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Rivelazione diretta
Onde da sorgenti
Astrofisiche
Rivelatori Terrestri
LIGO e Virgo
Rivelatori
spaziali
LISA
27
La Rivelazione delle ONDE GRAVITAZIONALI - 1
Quando la nostra regione di spazio è investita dall’ Onda
Gravitazionale, cambiano le proprietà geometriche dello spazio
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L’effetto dell’Onda su un oscillatore
armonico
L
Μ
Μ
Rivelatori a Barra
The Pioneer: Joseph Weber
Le-barre criogeniche
1980- % 2010Le barre a temperatura ambiente
(1960 -1980)
Rivelatori a Barra
M di alcune tonnellate
L di qualche metro
Il ruolo dell’INFN e della Sapienza
Guido-Pizzella
Edoardo Amaldi
1974
Snam Progetti - Monterotondo
M.-Cerdonio
G.V. Pallottino, I. Modena, G. Pizzella, E. Amaldi, E. Serrani, P. Carelli, G. Lucano, U. Giovanardi
Ranelli, Foco
Di nuovo alla
20 kg antenna @4.2 K
Antenna da 400 kg antenna al CNR-IFSI
1977
Fulvio-Ricci
Umberto-Giovanardi
Paolo-Napoleoni
EXPORER-@-CERN
EXPLORE @ CERN
1986
NAUTILUS@CERN
NAUTILUS
LNF%INFNFrascati
1993
C.-Pizzella
2015
L’Onda Gravitazionale investe tutta la Terra
e
le antenne la rivelano in coincidenza
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Rivelatori Criogenici a-Barra
1980-% 2010
1980-% 2010-
Tre antenne Italiane
ALLEGRO----AURIGA- EXPLORER- NAUTILUS- NIOBE
Usare la-Luce-per--rilevare leONDE-GRAVITAZIONALICome 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.
41
42
L’interferometro di Michelson
43
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
44
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 L
quanto più è grande è il segnale
dell’interferometro ΔL
45
L’INTERFEROMETRIA"a"Terra"e"le"ONDE"
GRAVITAZIONALI"
Come allungare il cammino della luce: le Linee di Ritardo Ottiche
46
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
L
L
Beam splitter
Photo detector
47
1985:Marcel Grossmann
Meeting
VIRGO
O
Proposal for the construction
of a large ínterferometric
detector of Gravitational waves
Alain-Brillet
Submitted : May 1989
Adalberto Giazotto
Revised : January 1990
Proposta presentata nel 1989- -%%%%%% Approvata nel 1992
The VIRGO construction
M.-Perciballi
E.-Majorana
P.-Puppo
F.-Ricci-
P.-Rapagnani
1999
VIRGO-a-Cascina
Interferometro con bracci di 3 km e cammini ottici di 120 km
50
51
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
52
OTTICA: gli specchi
Substrato: SiO2
35 cm di
diametro,
10 cm
spessore
Omogeneità <
5 x 10n7
Uniformità
della
superficie
< 1 10 n9 m
53
54
Riduzione del rumore sismico
Riduzione della Luce Diffusa:
il Vuoto
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Schema del Controllo
Elettronico
Acc. Sens:
10 -9 m/s2
- 0 – 100Hz
- f.s. 1g
Motors
VME bus
Sensors
Coil
Drivers
Position
&
Dampin
g
C
P
U
D
u
a
l
P
P
C
P
o
r
t
DOL
DSP
1L1
DAC DAC
1L1
1L1
RAM
VSB bus 1
T
i
m
i
n
g
DSP
1D1
D
u
a
l
ADC ADC ADC DAC
1D1
1D1
1D1
1D1
P
o
r
t
D
r
i
v
e
r
RAM
VBeX bus 1
VSB bus 2
VBeX bus 2
Sensors
Coil
Drivers
Sensors
Coil
Drivers
Superattenuatore
DSP:
DAC:
ADC:
- 96 bit
- 8 Chan.
- 20 bit
- 500 KHz
- 8 Chan.
-16 bit
SAR
- 200 KHz
- 60 MFLOPs
M
o
t
o
r
56
Uno-sguardo alla sensibilità
Lecce/62013/– Fulvio/Ricci/
57
La'rete'di'rivelatori in'funzione dal'2007
H1% Hanford- – Washington- state
GEO600- – Hannover- % Germany-
Virgo-– Cascina-(Pisa)-– EGO-site
L1% Livingston-– Louisiana-state
La collaborazione LIGO - VIRGO
il convegno alla Sapienza nel 2012
L’orizzonte dei rivelatori si allarga
La-sensibilità-è-migliorata-progressivamente-e-l’orizzonte,-la-distanza-a-cuiriusciano 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"detectors
traguardo:-decine-di-eventi-all’anno
2015"– Advanced-LIGO-è-pronto-ed-inizia-la-presa-dati
60
La futura rete di rivelatori avanzati
VIRGO
(Italia% Francia –Olanda –Polonia% Ungheria)
Cascina,-Italy
KAGRA-(Japan)
Kamioka
INDIGO-(India),R&D-activity--for-a-4km-Interferometer
LIGO-(USA)
Hanford,-WAandLivingston,-LA
14'Settembre 2015'
ore'11:50:45'
in'Italia
I-segnali di-allarme generati
dai computer-che analizzano
I-dat in-tempo-reale
Hanford
SNR"=24
Livingston
Il suono della prima rilevazione
LIGO6G16001916v1
63
Frequenza stimata di'un'Falso Allarme
1
evento ogni
203,000''anni
Hanford
Livingston
Ring-down
Inspiral
Un evento incredibile
Il 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 Sole
hanno 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 visibile
66
Ricadute tecnologiche
Diverse-tecnologie usate per-Virgo-sono state-sviluppate in-stretta collaborazione
con-l’industria e-possono avere un-impatto su altre attività scientifiche o-industriali.Sistemi di-isolamento sismico e-accelerometri ultrasensibili possono trovare
applicazioni 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 processi
produttivi in-metallurgia e-la-realizzazione di-elementi in-acciaio di-grandi dimensioni
e-alta precisione.-(Meccanica di-qualita’-in-ambiente depolverizzato,-alto-vuoto)
Superfici ottiche a-bassissima diffusione hanno richiesto la-costruzione di-unimpianto di-deposizione sotto-vuoto di-grandi dimensioni a-Lione (Specchi di-grandi
dimesioni e-altissima precisione,-laser).
La-richiesta per-l’ottica di-VIRGO-di-un-assorbimento estremamente basso-e-di-una
alta omogeneità,-ha-avuto come-risultato un-notevole miglioramento del-processo
produttivo di-un-tipo di-silice fusa di-altissima qualità,-ora disponibile anche per-altre
applicazioni.
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La futura rete di interferometri
Rivelazione simultanea degli eventi gravitazionali dalla rete-mondiale di-antenne
LIGO
Virgo
KAGRA
INDIGO
68
La rivelazione nello spazio
Laser
Interferometer
Space Antenna
LISA
69
L’Italia ancora in prima fila
LISA pathfinder lanciato
Il-lancio è avvenuto il 3-Decembre 2015- at-04:04- UTc (05:04- CET)-tramite il
lanciatore Vega-dalla base-di-Kourou,- nella Guiana Francese.
La-missione durerà 11-mesi e-potrà essere estesa ancora per-altri mesi
P.I.-prof.-Stefano-Vitale-– Università di-Trento
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.
Un-ruolo cruciale di--ASI
&---INFN
70
Una Nuova Finestra
sull’Universo
71
72
73