1

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

2

Gravity a fundamental force

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

4

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

5

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

6

Da-Newton-ad-Einstein,-ma-grazie-a-Galileo-

7

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-

8

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 ?

9

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.

10

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

11

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

13

14

! 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

15

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)

17

Relatività Generale

Einstein teorizza che un corpo

massiccio deforma lo spazio e il tempo

18

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)

19

Relatività Generale

Tutti i corpi si muovono attraverso lo

spazio deformato

20

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

21

22

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

23

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

24

Evidenza

“indiretta”

d’esistenza

delle Onde

Gravitazionali

25

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

26

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

28

La Rivelazione delle ONDE GRAVITAZIONALI - 1

Quando la nostra regione di spazio è investita dall’ Onda Gravitazionale, cambiano le proprietà geometriche dello spazio

L’effetto dell’Onda su un oscillatorearmonico

L

ΜΜ

Rivelatori a BarraThe Pioneer: Joseph Weber

Le-barre criogeniche1980- % 2010-

Le barre a temperatura ambiente(1960 -1980)

Rivelatori a Barra

M di alcune tonnellateL di qualche metro

Guido-Pizzella Edoardo Amaldi

Il ruolo dell’INFN e della Sapienza

G.V. Pallottino, I. Modena, G. Pizzella, E. Amaldi, E. Serrani, P. Carelli, G. Lucano, U. GiovanardiRanelli, Foco

1974Snam Progetti - Monterotondo

M.-Cerdonio

Di nuovo alla20 kg antenna @4.2 K

Antenna da 400 kg antenna al CNR-IFSI

Umberto-Giovanardi

1977

Fulvio-Ricci Paolo-Napoleoni

EXPLORE @ CERNEXPORER-@-CERN

1986

NAUTILUS@CERN

C.-Pizzella

NAUTILUSLNF%INFN-Frascati

20151993

38

L’Onda Gravitazionale investe tutta la Terra e

le antenne la rivelano in coincidenza

Rivelatori Criogenici a-Barra

1980-% 2010-1980-% 2010

ALLEGRO----AURIGA- EXPLORER- NAUTILUS- NIOBE

Tre antenne Italiane

41

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.

42

L’interferometro di Michelson

43

44

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

45

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

46

L’INTERFEROMETRIA"a"Terra"e"le"ONDE"GRAVITAZIONALI"

Come allungare il cammino della luce: le Linee di Ritardo Ottiche

47

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

The VIRGO construction

1999M.-Perciballi

E.-Majorana

P.-Puppo

P.-Rapagnani

F.-Ricci-

50

VIRGO-a-CascinaInterferometro con bracci di 3 km e cammini ottici di 120 km

51

52

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

53

OTTICA: gli specchi

Substrato: SiO2

35 cm di diametro,

10 cm spessore

Omogeneità < 5 x 10n7

Uniformità della

superficie< 1 10 n9 m

54

55

Riduzione del rumore sismicoRiduzione della Luce Diffusa:

il Vuoto

56

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

57Lecce/62013/– Fulvio/Ricci/

Uno-sguardo alla sensibilità

H1% Hanford-– Washington- state

L1% Livingston-– Louisiana-state

Virgo-– Cascina-(Pisa)-– EGO-site

GEO600-– Hannover- % Germany-

La'rete'di'rivelatori in'funzione dal'2007

La collaborazione LIGO - VIRGO il convegno alla Sapienza nel 2012

60

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

63

Il suono della prima rilevazione

LIGO6G16001916v1

Hanford Livingston

Frequenza stimata di'un'Falso Allarme1

evento ogni203,000''anni

Inspiral

Ring-down

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

67

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

La rivelazione nello spazio

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Laser

Interferometer

Space Antenna

LISA

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

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Una Nuova Finestra

sull’Universo

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