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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


∂2 ψ

∂ x2 +∂2 ψ

∂ y2 +∂2 ψ

∂ z2 −1v2

∂2 ψ

∂ t2 = 0


Altro?∂2 ψ

∂ x2 +∂2 ψ

∂ y2 +∂2 ψ

∂ z2 −1v2

∂2 ψ

∂ t2 = 0

Trasporto di energia e di informazione


acustiche


acustiche codificata


acustiche codificata

sulla sorgente stessa


acustiche

e.m. (luce)

codificata



acustiche

e.m. (luce)

codificata


codificata


acustiche

e.m. (luce)

codificata


codificatasulla sorgente stessa

Lo studio dell’Universo attraverso la luce visibile (fino a circa 100 anni fa)

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



Ma ci sono molte sorgenti che emettono anche o soltanto

altri tipi di onde:



Ma ci sono molte sorgenti che emettono anche o soltanto

altri tipi di onde:

gravitazionali

Relatività generale

Geometria spazio-tempo

Massa+energia



Massa+energia

“”La materia dice allo spazio come curvarsi,

lo spazio dice alla materia come muoversi”(J.A. Wheeler)



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!


Energia gravitazionale persa dalle stelle sottoforma di onde gravitazionali



Tre tipi di sistemi binari coalescenti:



Tre tipi di sistemi binari coalescenti:1) Binary Black Hole (BBH)



Tre tipi di sistemi binari coalescenti:1) Binary Black Hole (BBH)2) Binary Neutron Star (BNS)



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:

http://www.virgo-gw.eu/skymap.html

h dipende da q. estrinseche:q. intrinseche:

θ ,ϕ , ψ, ι , DL

m1 ,m2 , L⃗ , S⃗1, S⃗2

Posizione nel cielo


(θ , ϕ)

θ ,ϕ , ψ, ι , DL

m1 ,m2 , L⃗ , S⃗1, S⃗2

Posizione nel cielo


(θ , ϕ)

θ ,ϕ , ψ, ι , DL

m1 ,m2 , L⃗ , S⃗1, S⃗2

m1 m2

L⃗

m1

S⃗1

S⃗2

Posizione nel cielo

Distanza


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


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


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


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


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


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


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


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


M z≃( 596

π−8 /3 f−8 /3

τ−1)

3/5

h ∝ M z5 /3 f 2 /3 DL

−1


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


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

Δ t=dcos θ

c

d

θ

D1 D2


Δ t=dcos θ

c

d

θ

D1 D2


misuri Δ t ,conosci d → ricavi θ

Δ t=dcos θ

c

d

θ

D1 D2


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)


L⊙ = 3.8×1026 W


L⊙ = 3.8×1026 W

E⊙(vita intera )= L⊙×1010anni = 7×10−4 M⊙c2


L⊙ = 3.8×1026 W

E⊙(vita intera )= L⊙×1010anni = 7×10−4 M⊙c2

7000 volte E⊙ !!

}{ Mass gap

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

Fisica nucleareAstrofisica

CosmologiaFisica fondamentale:Relatività generale

GW 170817

O3 run: S190425z, un’altra BNS at 150 Mpc

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 (01/04/2019 – 17/01/2020): 68

• Numero di eventi con probabilità>90% di essere reali: 36




• Numero di eventi (01/04/2019 – 17/01/2020): 68


• 29 BBH




• Numero di eventi (01/04/2019 – 17/01/2020): 68


• 29 BBH

• 1 BNS (GW190425z)




• Numero di eventi (01/04/2019 – 17/01/2020): 68


• 29 BBH

• 1 BNS (GW190425z)

• 2 BHNS (S190814bv, S190910d)




• Numero di eventi (01/04/2019 – 17/01/2020): 68


• 29 BBH

• 1 BNS (GW190425z)

• 2 BHNS (S190814bv, S190910d)

• 3 Mass Gap (S190924h, S190930s, S200115j)




• Numero di eventi (01/04/2019 – 17/01/2020): 68


• 29 BBH

• 1 BNS (GW190425z)

• 2 BHNS (S190814bv, S190910d)

• 3 Mass Gap (S190924h, S190930s, S200115j)

• 1 “burst” (S200114f: transiente di origine sconosciuta)




• Numero di eventi (01/04/2019 – 17/01/2020): 68


• 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)

(~2030)

https://www.lisamission.org/


• Buchi neri supermassicci nel cuore delle galassie (f~0.1 – 100 mHz)

(~2030)



• Buchi neri supermassicci nel cuore delle galassie (f~0.1 – 100 mHz)• Stelle binarie ultracompatte nella nostra Galassia (f~mHz)

(~2030)



• 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)



“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

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