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Le onde gravitazionali
Gianluca Gemme
INFN Genova
19 febbraio 2008 Dipartimento di Fisica - Università di Genova
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La nostra immagine del
mondo
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Neutrini...
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Raggi cosmici...
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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
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Fu Galileo (1564-1642) 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)
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Newton (1642-1727) 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:2
21
r
mmGF
siccome1
1m
Fa
2
21
r
mGa
Eguaglianza di massa inerziale e massa gravitazionale
Verificata sperimentalmente al livello di 1 parte su 1012
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• Einstein comprese che la teoria della gravitazione diNewton e la sua teoria dellarelatività speciale eranoincompatibili.
Secondo Newton, se la gravitàterrestre deve influenzareistantaneamente la Luna, la forzadovrebbe propagarsi per circa 380,000 km in un istante—ad unavelocità maggiore della luce.
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• Ciò è in contrastocon la teoria diEinstein secondo la quale quella dellaluce è la velocitàlimite
• Riflettendo sullaTeoria dellaRelatività Speciale, Einstein pensò al modo di estenderela sua teoria per includere la forzagravitazionale
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• 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 q1
q2
2
21
04
1
r
qqF
r
q1
q2
12
2
1
0
14
1
EqF
r
qE • Un modo conveniente di
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
Campo: quantità definita in ogni
punto dello spazio
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• 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
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• Un’onda è una perturbazione del campo, che si propaga alla velocità della luce
• E’ trasversale rispetto alla direzione di propagazione
Carica in quiete (o in moto rettilineo uniforme)
Carica in moto accelerato
r ~ c t
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• 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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• L’onda è un’onda di marea: contrae e stira periodicamente le distanze
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• 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”?
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PSR 1913+16
separate da 106 Km
m1 = 1.4m
; m2 = 1.36m
= 0.617
R. Hulse, J. Taylor (1974)
(premio Nobel per la fisica 1993)T 8 hr
t 59 msec
La diminuzione del periodo orbitale è 0.0000765 secondi all’annoLa diminuzione del semiasse maggiore è 3.5 metri per annoIl tempo che precede il collasso è 300,000,000 anni
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Rivelatori di onde gravitazionali
• La rivelazione di o.g. è un compito proibitivo
• Anche se emesse da sorgenti astrofisiche di enormepotenza (p.es. Le supernovae), la deformazione indotta suun oggetto macroscopico sulla Terra è tipicamentedell’ordine di 10-21.
• Questo vuol dire p.es. che un oggetto di dimensionidell’ordine del metro si deforma per una quantità relativache 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 dirivelatori:– Le antenne (o sbarre) risonanti
– Gli interferometri
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• 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
Le antenne risonanti
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• 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...
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• 1961, Weber ed Amaldi a Varenna
• 1968, W.M. Fairbank a Roma
• 1970, Amaldi, Pizzella e Ruffini
• 1970-1971, Cerdonio, Modena, Pallottino
• 1971-1978, prime antenne a Roma (CNR)
http://www.roma1.infn.it/rog/general/cirg.html
• 1979, accordo con il CERN
• 1980, accordo con INFN
In Italia...
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ALLEGROLuisiana, USA
AURIGALegnaro, Italia
NAUTILUS,Frascati, Italia NIOBE,
Perth, Australia
EXPLORER,CERN, CH
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Gli interferometri
• Nel periodo in cui cominciavano ad infuriare le polemichesul lavoro di Weber due fisici sovietici, M.E. Gertenshteinand V.I. Pustovoit , suggerirono per primi la possibilità diusare un interferometro alla Michelson-Morley per la rivelazione di o.g.
• Robert Forward e altri fisici americani iniziarono a lavoraresu questa idea fin dai primi anni 70.
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L’interferometro...
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• Lunghezza del braccio ~ 3 Km
• Lunghezza ottica ~ 120 Km
• Frequenza ~ 10 – 6000 Hz
(100 – 1000 Hz)
• Presa dati dal 2004
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Tecnologia dell’ultraalto vuoto
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I superattenuatori
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www.virgo.infn.it
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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.
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LIGO
www.ligo.caltech.edu
Hanford, WA
Livingston, LA
L 4 Km
Presa dati dal 2002
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Livingston
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Hanford
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108 ly
Enhanced LIGO/Virgo+2009
Virgo/LIGO
Credit: R.Powell, B.Berger
Adv. Virgo/Adv. LIGO2014
GOAL:
sensitivity 10x better
look 10x further
Detection rate 1000x larger
2nd generation detectors:
Advanced Virgo, Advanced LIGO
Intermediate step:
Virgo+, Enhanced LIGO, GEO HF
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Quando qualcosa cessa di essere misteriosa
non è più una faccenda interessante per gli
scienziati.
Essi sognano quasi solo di cose misteriose.
F. Dyson