Onde gravitazionali Prima osservazione di onde gravitazionali ore 10.50 del 14 settembre 2015 mediante interferometri Ligo (rivelatore interferometrico.

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1 Onde gravitazionali Prima osservazione di onde gravitazionali ore 10.50 del 14 settembre 2015 mediante interferometri Ligo (rivelatore interferometrico di onde gravitazionali) (Washington-Hanford, Lousiana-Livingston) ed elaborazione dati con collegamento a Virgo (da Vergine:ammasso di galassie) (Pisa-Cascina:inattivo al momento della recezione) annuncio 11 febbraio 2016

2 Le onde gravitazionali rivelate sono state prodotte nell’ultima frazione di secondo del processo di fusione di due buchi neri, di massa equivalente a circa 29 e 36 masse solari, in un unico buco nero ruotante più massiccio di circa 62 masse solari: le tre masse solari mancanti al totale della somma equivalgono all’energia emessa durante il processo di fusione dei due buchi neri, sotto forma di onde gravitazionali. I due buchi neri, prima di fondersi hanno percorso una traiettoria a spirale per poi scontrarsi a una velocità di circa 150.000 Km/s Rivelazione mediante analisi della interferenza di raggi laser attribuibile alla variazione del percorso provocata dalla deformazione dello spazio per l’arrivo dell’onda gravitazionale

3 Onde in opposizione di fase Onde con sfasamento

4 Specchio 1 specchio2 Distanza 1 Distanza 2 rivelatore Sorgente laser Specchio semitrasparente distanza 1 <> distanza 2 Onda gravitazionale provoca variazione della lunghezza del percorso della luce laser nei due rami, dimostrata dallo sfasamento osservato nel rivelatore

5 Einstein, con la teoria della relatività generale, stabilì la connessione tra campo gravitazionale e struttura dello spazio-tempo. l'interazione gravitazionale è la meno conosciuta fra le interazioni fondamentali. le onde gravitazionali possono viaggiare nello spazio senza essere assorbite dalle stelle o dalla materia interstellare. Questa interazione molto bassa, assieme alla debolezza della forza gravitazionale, rendono la loro rivelazione particolarmente difficile nel 1936 Einstein stesso era stato indotto a ritenere che tali onde non potevano esistere e che quindi la previsione formulata in precedenza era un errore

6 In base alla teoria della relatività resa pubblica da Einstein nel 1915 la presenza della materia curva lo spazio e il tempo.. Galassia non visibile da osservatorio in assenza di curvatura spaziale Galassia visibile da osservatorio in presenza di curvatura spaziale, con duplicazione della immagine

7 Le onde gravitazionali sono come piccole increspature del tessuto dello spazio-tempo che permea tutto l’universo ( come le onde che increspano la superficie di uno stagno su cui si sposta un oggetto.) queste perturbazioni sono prodotte dal movimento di corpi dotati di massa nello spazio-tempo. Queste onde però sono assai deboli, poiché la gravità è la più debole delle quattro forze fondamentali (forte, elettromagnetica, debole, gravitazionale). Quindi per rilevarle è fondamentale che le sorgenti siano masse in movimento di dimensioni grandissime( per esempio esplosione iniziale big bang due buchi neri che collassano uno sull'altro, l’esplosione di supernove, collasso in stella a neutroni, buco nero, sistemi binari rotanti attorno a centro comune, pulsar ). viaggiano alla velocità della luce e interagiscono in modo trascurabile con la materia che incontrano.

8 L'osservazione delle onde gravitazionali può fornire informazioni importanti e complementari a quelle fornite dalle onde elettromagnetiche luce, onde radio, raggi X e gamma e da particelle elementari raggi cosmici, neutrini, di origine astrofisica. Verranno svelati altri aspetti dell'Universo e si penetrerà dentro quelle zone del cosmo oscurate dalla polvere o da altri fenomeni. I processi cosmici come l'esplosione di una supernova, collisioni catastrofiche, fusione di sistemi binari, rotazione di pulsar, interazione di buchi neri o ancora il big bang primordiale sono fonte di onde gravitazionali. L'osservazione di onde gravitazionali emesse durante questi violenti processi è l'unico modo per ottenere informazione sulle masse coinvolte nel processo

9 Nebulosa gassosa protostella stella Stella rossa Gigante rossa Supergigante rossa Nebulosa planetaria Nana bianca Nana nera supernova Stella neutronica Buco nero Nebulosa in fase di contrazione Evoluzione stellare

10 Nebulosa gassosa protostella stella Stella rossa Gigante rossa Supergigante rossa Nebulosa planetaria Nana bianca Nana nera supernova Stella neutronica Buco nero Nebulosa in fase di contrazione Evoluzione stellare

11 supernova genera onde gravitazionali nella fase di esplosione e nel collasso in stella neutronica o buco nero

12 Big bang:esplosione con generazione di onde gravitazionali che si propagano nell’universo in espansione

13 Le onde gravitazionali rivelate sono state prodotte nell’ultima frazione di secondo del processo di fusione di due buchi neri, di massa equivalente a circa 29 e 36 masse solari, in un unico buco nero ruotante più massiccio di circa 62 masse solari: le tre masse solari mancanti al totale della somma equivalgono all’energia emessa durante il processo di fusione dei due buchi neri, sotto forma di onde gravitazionali. I due buchi neri, prima di fondersi hanno percorso una traiettoria a spirale per poi scontrarsi a una velocità di circa 150.000 Km/s

14 Due buchi neri con masse solari 29, 36 rotanti attorno a centro comune, si urtano e si fondono originando buco nero di 62 masse:la differenza 3 masse viene emessa come onde gravitazionali

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16 Le onde gravitazionali distorcono lo spazio tempo e producono forze in maniera tale che la distanza tra due masse altrimenti libere, aumenta e diminuisce alternativamente al passaggio dell'onda. Una caratteristica importante è che a un allontanamento in una direzione corrisponde un avvicinamento nella direzione perpendicolare. Il risultato è che se le masse sono disposte su un cerchio questo sarà alternativamente allungato e schiacciato in due direzioni perpendicolari.

17 Queste infinitesime variazioni di distanza possono essere rivelate sfruttando il fenomeno dell'interferenza. Un interferometro Michelson a laser è molto sensibile a differenze di lunghezza tra i suoi bracci ed è quindi ideale per la rivelazione di onde gravitazionali. Per l'altissima sensibilità richiesta, la lunghezza dei bracci deve essere di molti chilometri. Questo non può essere facilmente realizzato sulla Terra e si usano riflessioni multiple per aumentare artificialmente la lunghezza dei bracci. mediante cavità risonante Fabry-Perot I due fasci di luce laser, provenienti dai due bracci, vengono ricombinati in opposizione di fase su un rivelatore di luce in modo che, normalmente, non arrivi luce sul rivelatore. La variazione del cammino ottico, causata dalla distanza tra gli specchi che varia in a causa della onda gravitazionale produce un piccolissimo sfasamento tra i fasci e quindi un'alterazione dell'intensità luminosa osservata, proporzionale all'ampiezza dell'onda gravitazionale

18 Specchio 1 specchio2 Distanza 1 Distanza 2 rivelatore Sorgente laser Specchio semitrasparente

19 Specchio 1 specchio2 Distanza 1 Distanza 2 rivelatore Sorgente laser Specchio semitrasparente distanza 1 = distanza 2 Raggio laser incidente su specchio semitrasparente suddiviso in due raggi uguali che raggiungono due specchi e vengono riflessi i raggi riflessi raggiungono il rivelatore in opposizione di fase (se distanze percorse sono rimaste invariate) risultato: assenza di segnale nel rivelatore

20 Specchio 1 specchio2 Distanza 1 Distanza 2 rivelatore Sorgente laser Specchio semitrasparente distanza 1 <> distanza 2 Onda gravitazionale provoca variazione della lunghezza del percorso della luce laser nei due rami, dimostrata dallo sfasamento osservato nel rivelatore

21 Onde in opposizione di fase Onde con sfasamento

22 Virgo è un interferometro laser di tipo Michelson con due bracci di 3 km disposti ad angolo retto. Uno specchio semitrasparente divide il fascio laser incidente in due componenti uguali mandate nei due bracci dell'interferometro. (In ciascun braccio una cavità risonante Fabry-Perot formata da due specchi estende la lunghezza ottica da 3 a circa 100 chilometri per via delle riflessioni multiple della luce e pertanto amplifica la piccola variazione di distanza causata dal passaggio dell'onda gravitazionale.) VIRGO è sensibile alle onde gravitazionali in un ampio spettro di frequenze, da 10 a 10,000 Hz. Questo dovrebbe consentire la rivelazione di radiazione gravitazionale causata dalla coalescenza di sistemi binari (stelle o buchi neri), pulsar, e quella prodotta da supernovae nella Via Lattea e nelle galassie esterne,

23 La luce emessa dal sole impiega 8 minuti per raggiungere la terra Se il sole cessasse improvvisamente di irradiare, l’ultima luce che raggiungerebbe la terra sarebbe quella emessa 8 minuti prima della cessazione (sole ancora visibile per effetto di tale luce) Con un ritardo di 8 minuti alla terra verrebbe fornita la informazione sulla avvenuta cessazione della attività solare T = Spazio/velocità = 150.000.000 km/300.000 Km/s = 500 s = 8.3 minuti

24 Quando l’osservatore vede il disco solare in fase di tramonto sta vedendo in realtà solo la immagine dovuta alla radiazione emessa dal sole quando si trovava in quella posizione, circa 8 minuti prima del momento nel quale si verifica la osservazione Posizione Sole reale Posizione Immagine del sole osservato T = Spazio/velocità = 150.000.000 km/300.000 Km/s = 500 s = 8.3 minuti

25 Esempio: sasso lasciato cadere su superficie ferma di stagno viene generato nell’acqua un moto oscillatorio che si propaga radialmente

26 Spazio omogeneo Spazio curvato da massa solare Terra in moto in assenza del sole Terra in moto nello spazio curvato dal sole

27 Scomparsa del sole e curvatura spaziale percepita in ritardo di 8 minuti sulla terra

28 Problemi La massa totale dell'Universo, stimata dalla massa dei corpi visibili, della polvere cosmica e dei gas, è meno del 5 % della massa necessaria per spiegare il moto delle galassie: si ipotizza la presenza di materia oscura 25 % la accelerazione nella espansione del cosmo sembra aumentare come se fosse presente una forma di energia repulsiva che si oppone alla forza attrattiva gravitazionale Energia oscura 70 % Siccome le onde gravitazionali sono generate dal moto di grandi masse la loro osservazione potrà fornire informazioni fondamentali su questo mistero della massa mancante. i rivelatori di onde gravitazionali sono per loro natura non direzionali e sono quindi in ascolto continuo di tutto l'Universo.