Post on 26-Jun-2020
Sulla cresta delle onde gravitazionali ed elettromagnetiche:
la faccia finora nascosta dell’Universo
FerraraCorso Eccellenza, 22/01/2020
Velocità della luce: c = 300 000 km/s
Velocità della luce: c = 300 000 km/s
Velocità della luce: c = 300 000 km/s
∂2 ψ
∂ x2 +∂2 ψ
∂ y2 +∂2 ψ
∂ z2 −1v2
∂2 ψ
∂ t2 = 0
Velocità della luce: c = 300 000 km/s
Altro?∂2 ψ
∂ x2 +∂2 ψ
∂ y2 +∂2 ψ
∂ z2 −1v2
∂2 ψ
∂ t2 = 0
Trasporto di energia e di informazione
Trasporto di energia e di informazione
acustiche
Trasporto di energia e di informazione
acustiche codificata
Trasporto di energia e di informazione
acustiche codificata
sulla sorgente stessa
Trasporto di energia e di informazione
acustiche
e.m. (luce)
codificata
sulla sorgente stessa
Trasporto di energia e di informazione
acustiche
e.m. (luce)
codificata
sulla sorgente stessa
codificata
Trasporto di energia e di informazione
acustiche
e.m. (luce)
codificata
sulla sorgente stessa
codificatasulla sorgente stessa
Trasporto di energia e di informazione
acustiche
e.m. (luce)
codificata
sulla sorgente stessa
codificatasulla sorgente stessa
Lo studio dell’Universo attraverso la luce visibile (fino a circa 100 anni fa)
Altre finestre sullo spettro elettromagnetico
Altre finestre sullo spettro elettromagnetico
Altre finestre sullo spettro elettromagnetico
Il cielo in raggi X
Fermi Chandra
Swift HST
VLAVLT
JWST
Planck
CTA
Abbiamo finora conosciuto l’Universo attraverso le onde
e.m. emesse dalle varie sorgenti
Abbiamo finora conosciuto l’Universo attraverso le onde
e.m. emesse dalle varie sorgenti
Ma ci sono molte sorgenti che emettono anche o soltanto
altri tipi di onde:
Abbiamo finora conosciuto l’Universo attraverso le onde
e.m. emesse dalle varie sorgenti
Ma ci sono molte sorgenti che emettono anche o soltanto
altri tipi di onde:
gravitazionali
Relatività generale
Geometria spazio-tempo
Massa+energia
Relatività generale
Geometria spazio-tempo
Massa+energia
“”La materia dice allo spazio come curvarsi,
lo spazio dice alla materia come muoversi”(J.A. Wheeler)
Relatività generale
Geometria spazio-tempo
Massa+energia
Lo spazio-tempo può oscillare e chiamiamo le sue oscillazioni onde-gravitazionali.Queste vibrazioni possono essere definite come il suono dell’universo!
“”La materia dice allo spazio come curvarsi,
lo spazio dice alla materia come muoversi”(J.A. Wheeler)
Onde gravitazionali
„...il campo gravitazionale invariabilmente si propaga con la
velocità della luce“
Sistemi binari: in miliardi di anni si avvicinano per poi fondersi!
Sistemi binari: in miliardi di anni si avvicinano per poi fondersi!
Energia gravitazionale persa dalle stelle sottoforma di onde gravitazionali
Sistemi binari: in miliardi di anni si avvicinano per poi fondersi!
Energia gravitazionale persa dalle stelle sottoforma di onde gravitazionali
Tre tipi di sistemi binari coalescenti:
Sistemi binari: in miliardi di anni si avvicinano per poi fondersi!
Energia gravitazionale persa dalle stelle sottoforma di onde gravitazionali
Tre tipi di sistemi binari coalescenti:1) Binary Black Hole (BBH)
Sistemi binari: in miliardi di anni si avvicinano per poi fondersi!
Energia gravitazionale persa dalle stelle sottoforma di onde gravitazionali
Tre tipi di sistemi binari coalescenti:1) Binary Black Hole (BBH)2) Binary Neutron Star (BNS)
Sistemi binari: in miliardi di anni si avvicinano per poi fondersi!
Energia gravitazionale persa dalle stelle sottoforma di onde gravitazionali
Tre tipi di sistemi binari coalescenti:1) Binary Black Hole (BBH)2) Binary Neutron Star (BNS)3) Black Hole + Neutron Star (BHNS)
Prima prova indiretta delle onde gravitazionali: la pulsar doppia PSR B1913+16
Nobel Fisica 1993: Hulse & Taylor
• Periodo orbitale ~ 8 ore• Velocita di avvicinamento: 3 mm/orbita
Interferometri gravitazionali: come funzionano?
Strain proiettato lungo i bracci del detector
h =Δ LL
∼ 10−21
GW 150914: fusione di coppia di buchi neri
Nobel Fisica 2017: LIGO-Virgo collaboration
GW 150914
http://www.virgo-gw.eu/skymap.html
Guarda le mappe interattive di altri eventi:
h dipende da q. estrinseche:q. intrinseche:
θ ,ϕ , ψ, ι , DL
m1 ,m2 , L⃗ , S⃗1, S⃗2
Posizione nel cielo
h dipende da q. estrinseche:q. intrinseche:
(θ , ϕ)
θ ,ϕ , ψ, ι , DL
m1 ,m2 , L⃗ , S⃗1, S⃗2
Posizione nel cielo
h dipende da q. estrinseche:q. intrinseche:
(θ , ϕ)
θ ,ϕ , ψ, ι , DL
m1 ,m2 , L⃗ , S⃗1, S⃗2
m1 m2
L⃗
m1
S⃗1
S⃗2
Posizione nel cielo
Distanza
h dipende da q. estrinseche:q. intrinseche:
Angolo di inclinazione
(θ , ϕ)
θ ,ϕ , ψ, ι , DL
m1 ,m2 , L⃗
ι
DL
S⃗1
S⃗2
, S⃗1, S⃗2
m1 m2
L⃗
Posizione nel cielo
Angolo di polarizzazione
Distanza
h dipende da q. estrinseche:q. intrinseche:
Angolo di inclinazione
(θ , ϕ)
θ ,ϕ , ψ, ι , DL
m1 ,m2 , L⃗
ι
ψ
DL
S⃗1
S⃗2
, S⃗1, S⃗2
m1 m2
L⃗
Misura delle masse
M tot = m1+m2
M =(m1 m2)
3/5
(m1+m2)1 /5 Chirp mass
Misura delle masse
M tot = m1+m2
M =(m1 m2)
3/5
(m1+m2)1 /5 Chirp mass
M z = M (1+z )= (1+z )(m1 m2)
3/5
(m1+m2)1 /5 =
c3
G [ 596
π−8/3 f −8 /3
τ ]3/5
Misura delle masse
M tot = m1+m2
M =(m1 m2)
3/5
(m1+m2)1 /5 Chirp mass
M z = M (1+z )= (1+z )(m1 m2)
3/5
(m1+m2)1 /5 =
c3
G [ 596
π−8/3 f −8 /3
τ ]3/5
Misura delle masse
M tot = m1+m2
frequenza
Durata della fase di merging
M =(m1 m2)
3/5
(m1+m2)1 /5 Chirp mass
M z = M (1+z )= (1+z )(m1 m2)
3/5
(m1+m2)1 /5 =
c3
G [ 596
π−8/3 f −8 /3
τ ]3/5
Misura delle masse
M tot = m1+m2
frequenza
Durata della fase di merging
M =(m1 m2)
3/5
(m1+m2)1 /5 Chirp mass
M z = M (1+z )= (1+z )(m1 m2)
3/5
(m1+m2)1 /5 =
c3
G [ 596
π−8/3 f −8 /3
τ ]3/5
Misura delle masse
M tot=1
π√8c3
G f c
M tot = m1+m2
frequenza
frequenza finale Durata della fase di merging
M =(m1 m2)
3/5
(m1+m2)1 /5 Chirp mass
M z = M (1+z )= (1+z )(m1 m2)
3/5
(m1+m2)1 /5 =
c3
G [ 596
π−8/3 f −8 /3
τ ]3/5
Misura delle masse
M tot=1
π√8c3
G f c
M tot = m1+m2
frequenza
frequenza finale Durata della fase di merging
M =(m1 m2)
3/5
(m1+m2)1 /5 Chirp mass
M z = M (1+z )= (1+z )(m1 m2)
3/5
(m1+m2)1 /5 =
c3
G [ 596
π−8/3 f −8 /3
τ ]3/5
Misura delle masse
M tot=1
π√8c3
G f c
M tot = m1+m2
frequenza
Stimando Mz e Mtot → m1 e m2
GW150914
GW150914
f
GW150914
f τ
GW150914
f
M z≃c3
G ( 596
π−8 /3 f−8/3
τ−1)
3/5
≃30 M⊙
τ
GW150914
f
M z≃c3
G ( 596
π−8 /3 f−8/3
τ−1)
3/5
≃30 M⊙
τ
M tot ≃ 65 M⊙
GW150914
f
M z≃c3
G ( 596
π−8 /3 f−8/3
τ−1)
3/5
≃30 M⊙
τ
M tot ≃ 65 M⊙
m1 ≃ 36 M⊙ m2 ≃ 29 M⊙
La distanza stimata con le onde gravitazionali
M z≃( 596
π−8 /3 f−8 /3
τ−1)
3/5
La distanza stimata con le onde gravitazionali
M z≃( 596
π−8 /3 f−8 /3
τ−1)
3/5
h ∝ M z5 /3 f 2 /3 DL
−1
La distanza stimata con le onde gravitazionali
M z≃( 596
π−8 /3 f−8 /3
τ−1)
3/5
h ∝ M z5 /3 f 2 /3 DL
−1
τ ∝ M z−5 /3 f−8/3
La distanza stimata con le onde gravitazionali
M z≃( 596
π−8 /3 f−8 /3
τ−1)
3/5
h ∝ M z5 /3 f 2 /3 DL
−1
τ ∝ M z−5 /3 f−8/3 } DL ∝ f −2(h τ)−1
d
θ
D1 D2
Triangolazione: ritardi temporali
d
θ
D1 D2
Triangolazione: ritardi temporali
d
θ
D1 D2
Triangolazione: ritardi temporali
Δ t=dcos θ
c
d
θ
D1 D2
Triangolazione: ritardi temporali
Δ t=dcos θ
c
d
θ
D1 D2
Triangolazione: ritardi temporali
misuri Δ t ,conosci d → ricavi θ
Δ t=dcos θ
c
d
θ
D1 D2
Triangolazione: ritardi temporali
misuri Δ t ,conosci d → ricavi θ
Ogni coppia di detector dà un “annulus”
Δ t=dcos θ
c
d
θ
D1 D2
Triangolazione: ritardi temporali
misuri Δ t ,conosci d → ricavi θ
Ogni coppia di detector dà un “annulus”
Δ t=dcos θ
c
d
θ
D1 D2
Triangolazione: ritardi temporali
misuri Δ t ,conosci d → ricavi θ
Ogni coppia di detector dà un “annulus”
Catalogo di eventi O1+O2 (O1: 12/09/2015 – 19/01/2016 O2: 30/11/2016 – 25/08/2017)
Catalogo di eventi O1+O2 (O1: 12/09/2015 – 19/01/2016 O2: 30/11/2016 – 25/08/2017)
Catalogo di eventi O1+O2 (O1: 12/09/2015 – 19/01/2016 O2: 30/11/2016 – 25/08/2017)
Catalogo di eventi O1+O2 (O1: 12/09/2015 – 19/01/2016 O2: 30/11/2016 – 25/08/2017)
Catalogo di eventi O1+O2 (O1: 12/09/2015 – 19/01/2016 O2: 30/11/2016 – 25/08/2017)
Catalogo di eventi O1+O2 (O1: 12/09/2015 – 19/01/2016 O2: 30/11/2016 – 25/08/2017)
L⊙ = 3.8×1026 W
Catalogo di eventi O1+O2 (O1: 12/09/2015 – 19/01/2016 O2: 30/11/2016 – 25/08/2017)
L⊙ = 3.8×1026 W
E⊙(vita intera )= L⊙×1010anni = 7×10−4 M⊙c2
Catalogo di eventi O1+O2 (O1: 12/09/2015 – 19/01/2016 O2: 30/11/2016 – 25/08/2017)
L⊙ = 3.8×1026 W
E⊙(vita intera )= L⊙×1010anni = 7×10−4 M⊙c2
7000 volte E⊙ !!
}{ Mass gap
}{ Mass gap
Catalogo di eventi O1+O2 (O1: 12/09/2015 – 19/01/2016 O2: 30/11/2016 – 25/08/2017)
Catalogo di eventi O1+O2 (O1: 12/09/2015 – 19/01/2016 O2: 30/11/2016 – 25/08/2017)
Nascita dell’astronomia multimessaggero
(Collaborazione LIGO e Virgo)
Un lampo di raggi gamma breve simultaneo a un'onda gravitazionale
In tutto il mondo si scatena la caccia alla possibile controparte elettromagnetica
(Collaborazione LIGO e Virgo)
Onde gravitazionali
Raggi X e gamma
Onde gravitazionali
Luce visibile e infrarossa
Onde radio Onde elettromagnetiche
Legge di Hubblevr = H 0 d
Legge di Hubblevr = H 0 d
Legge di Hubblevr = H 0 d
Legge di Hubblevr = H 0 d
Fisica nucleareAstrofisica
CosmologiaFisica fondamentale:Relatività generale
GW 170817
O3 run: S190425z, un’altra BNS at 150 Mpc
O3 run: S190425z, un’altra BNS at 150 Mpc
Eventi osservati in O3: qualche statistica
https://gracedb.ligo.org/superevents/public/O3/
Eventi osservati in O3: qualche statistica
https://gracedb.ligo.org/superevents/public/O3/
• Numero di eventi (01/04/2019 – 17/01/2020): 68
Eventi osservati in O3: qualche statistica
https://gracedb.ligo.org/superevents/public/O3/
• Numero di eventi (01/04/2019 – 17/01/2020): 68
• Numero di eventi con probabilità>90% di essere reali: 36
Eventi osservati in O3: qualche statistica
https://gracedb.ligo.org/superevents/public/O3/
• Numero di eventi (01/04/2019 – 17/01/2020): 68
• Numero di eventi con probabilità>90% di essere reali: 36
• 29 BBH
Eventi osservati in O3: qualche statistica
https://gracedb.ligo.org/superevents/public/O3/
• Numero di eventi (01/04/2019 – 17/01/2020): 68
• Numero di eventi con probabilità>90% di essere reali: 36
• 29 BBH
• 1 BNS (GW190425z)
Eventi osservati in O3: qualche statistica
https://gracedb.ligo.org/superevents/public/O3/
• Numero di eventi (01/04/2019 – 17/01/2020): 68
• Numero di eventi con probabilità>90% di essere reali: 36
• 29 BBH
• 1 BNS (GW190425z)
• 2 BHNS (S190814bv, S190910d)
Eventi osservati in O3: qualche statistica
https://gracedb.ligo.org/superevents/public/O3/
• Numero di eventi (01/04/2019 – 17/01/2020): 68
• Numero di eventi con probabilità>90% di essere reali: 36
• 29 BBH
• 1 BNS (GW190425z)
• 2 BHNS (S190814bv, S190910d)
• 3 Mass Gap (S190924h, S190930s, S200115j)
Eventi osservati in O3: qualche statistica
https://gracedb.ligo.org/superevents/public/O3/
• Numero di eventi (01/04/2019 – 17/01/2020): 68
• Numero di eventi con probabilità>90% di essere reali: 36
• 29 BBH
• 1 BNS (GW190425z)
• 2 BHNS (S190814bv, S190910d)
• 3 Mass Gap (S190924h, S190930s, S200115j)
• 1 “burst” (S200114f: transiente di origine sconosciuta)
Eventi osservati in O3: qualche statistica
https://gracedb.ligo.org/superevents/public/O3/
• Numero di eventi (01/04/2019 – 17/01/2020): 68
• Numero di eventi con probabilità>90% di essere reali: 36
• 29 BBH
• 1 BNS (GW190425z)
• 2 BHNS (S190814bv, S190910d)
• 3 Mass Gap (S190924h, S190930s, S200115j)
• 1 “burst” (S200114f: transiente di origine sconosciuta)
• Per nessuna di queste si è trovata con certezza una controparte
elettromagnetica.
Sguardo sul futuro
BNS distances
125 – 190 Mpc
BNS Rates
11-180 / yr
BNS localized within 5(20) deg2
23-30 (65-73) %
Abbott+2018, LRR, 21, 3
2G GW detectors
3G GW detectors
3G GW detectors• Sensibilità migliore di un fattore 10 circa
3G GW detectors• Sensibilità migliore di un fattore 10 circa• Fusioni di stelle binarie di neutroni fino a 2 mld anni-luce: qualche
103/anno
3G GW detectors• Sensibilità migliore di un fattore 10 circa• Fusioni di stelle binarie di neutroni fino a 2 mld anni-luce: qualche 103/anno• Circa 105 eventi/anno con gli interferometri della generazione 3G (>2035)
• Buchi neri supermassicci nel cuore delle galassie (f~0.1 – 100 mHz)
(~2030)
https://www.lisamission.org/
• Buchi neri supermassicci nel cuore delle galassie (f~0.1 – 100 mHz)• Stelle binarie ultracompatte nella nostra Galassia (f~mHz)
(~2030)
https://www.lisamission.org/
• Buchi neri supermassicci nel cuore delle galassie (f~0.1 – 100 mHz)• Stelle binarie ultracompatte nella nostra Galassia (f~mHz)• Per queste frequenze così basse, LISA avrà bracci di 2.5 milioni di km
(~2030)
https://www.lisamission.org/
“Non si può osservare un’onda senza tener conto degli aspetti complessi che concorrono a formarla e di quelli altrettanto complessi a cui essa dà luogo.[...] Solo se egli riesce a tenerne presenti tutti gli aspetti insieme, può iniziare la seconda fase dell’operazione: estendere questa conoscenza all’intero universo.“
(da “Lettura di un‘onda“, in “Palomar“, Italo Calvino, 1983)
The End