Studio delle onde gravitazionali

Presentazione sul tema: "Studio delle onde gravitazionali"— Transcript della presentazione:

1 Studio delle onde gravitazionali
G. Cella Virgo Collaboration – I.N.F.N. Pisa Incontri di Fisica delle Alte Energie 2007 11-13 Maggio Napoli ITALIA - INFN Firenze-Urbino Frascati Napoli Perugia Pisa Roma FRANCIA - CNRS ESPCI – Paris IPN – Lyon LAL – Orsay LAPP – Annecy OCA - Nice Olanda - NIKHEF

2 Natura delle onde gravitazionali
Matter tells the spacetime how to curve, and curved space tells to matter how to move (J. Weeler) Equazione non lineare, difficile da risolvere se non in casi con particolare simmetria Equazione linearizzata: Usuale equazione d’onda per il campo Superficie nana bianca Ci sono effetti misurabili? Scala tipica per un’onda gravitazionale

3 Onde gravitazionali: rivelazione
Bondi (1957) Weber (1966) Rivelatori interferometrici

4 Soluzioni dell’equazione d’onda
2 gradi di libertà 10 6 3 Binaria coalescente nel Virgo Cluster: M ~ 1.4 M, R ~ 20 km, f ~ 400 Hz, r ~ 15 Mpc

5 Un network di rivelatori
3 km 600 m 4 & 2 km TAMA 300 m 4 km AIGO

6 Virgo: lo schema ottico

7 Rumore sismico Locking! Obiettivi: 1. Massimizzare il segnale
Ampiezza spettrale del rumore Hz-1/2 2. Minimizzare il rumore 3. Avere una risposta lineare Locking! 4. Avere una risposta stazionaria

8 Rumore termico Teorema di Fluttuazione-Dissipazione
Principio di equipartizione Materiali migliori Montaggi migliori Temperature più basse

9 Rumore termico

10 fluttuazione quantistica dei modi e.m. dell’apparato
Rumore ottico Shot noise = fluttuazione quantistica dei modi e.m. dell’apparato

11 Sensibilità: riepilogo
Termico Shot Sismico Quale è la situazione attuale dei detector esistenti?

12 Sensibilita’ attuale

13 Sorgenti Coalescenze binarie Sorgenti periodiche Sorgenti impulsive
NS-NS NS-BH BH-BH Sorgenti periodiche Pulsar Sorgenti impulsive Bursts Background stocastico Cosmologico Astrofisico

14 Coalescenze binarie Approssimazione Newtoniana

15 Coalescenze binarie: rivelazione
Anche la fase è nota perturbativamente: Approccio ottimale: Filtro di Wiener Dobbiamo perdere meno di /2 durante il tempo di integrazione….

16 Coalescenze binarie: rivelazione
GLRT Rate atteso: 3/yr in 40  200 Mpc Grishchuk et al. Astro-ph/ Rivelabilità: 20 Mpc

17 Sorgenti periodiche (pulsar)
Segnale sinusoidale, eventualmente 2 armoniche. Nella nostra galassia (>105). Le più accessibili distribuite isotropicamente. A volte sono note. Frequenza inferiore: limitata dalla sensibilità. Frequenza superiore 1~2 kHz Ampiezza bassa: Modulate Doppler (movimento del detector) Spin-down (o anche spin-up) approssimativamente esponenziale Modulazione intrinseca della frequenza (compagno o altro) Modulazione di ampiezza (detector e intrinseca) Glitches

18 Sorgenti periodiche:rivelazione
Le sorgenti periodiche possono essere rivelate da una singola antenna con certezza (se la sensibilità è sufficiente). La probabilità di falso allarme in linea di principio può essere ridotta arbitrariamente.

19 Sorgenti periodiche: rivelazione
Una blind search ottimale è irrealizzabile computazionalmente La demodulazione dipende dalla posizione Servono lunghi tempi di integrazione Metodi sub-ottimali Data > SFDB > peak map -> Hough map

20 Sorgenti impulsive 50 ms 10 ms 0.1 ms Collasso di stelle massive
Supernove di tipo II Formazione di buchi neri Instabilità in NS giovani Mergers Ring down buchi neri Altro …. Supernove tipo II. Zwerger & Muller (A&A 97) Dimmelmeir et al (A&A 02) 0.1 ms Rivelazione: Forme d’onda non note Segnali di breve durata Presenza di non stazionarietà nell’apparato Formazione di buchi neri. Stark & Piran (PRL 95) Coincidenze

21 Sorgenti impulsive: predizioni per le ampiezze

22 Sorgenti impulsive: ROCs

23 Sorgenti non stocastiche: riepilogo
10 kpc Dimmelmeier et al. A&A 393 (02) seismic thermal shot Rates: NS/NS: 0.3/year BH/BH: 0.6/year Bursts: più eventi l’anno. Emissione fortemente dipendente dal modello.

24 Background stocastico: rivelazione
Sovrapposizione incoerente di molte sorgenti non risolvibili background cosmologico background astrofisico Rivelazione: discriminare tra due distribuzioni Gaussiane multivariate con diverse matrici di covarianza: Soluzione: correlatore ottimale Y12

25 Background stocastico: overlap reduction function
E’ necessario quindi correlare più detector: La funzione  esprime la coerenza tra i segnali accoppiati a diversi detector. SNR scala con   dipende dalla distanza tra i detector e della loro orientazione scala caratteristica di frequenza: f* = c/d Detector vicini: in fase su tutti i modi Detector lontani: modi differenti tendono a cancellarsi

26 Background stocastico: cosmologico
Upper Bounds: Cobe Bariogenesi Pulsars: millisecondi binarie 1 Virgo-like 2 Virgo-like Virgo+bar 2 Advanced LISA Sorgenti: Inflazione Stringhe cosmiche Transizioni di fase Cosmologia di stringa

27 Background stocastico: astrofisico

28 Limiti superiori Limite superiore valutato su una banda di 100 Hz, in funzione della frequenza centrale della banda. Spettro di energia costante.

29 Conclusioni e prospettive
Una lunga fase di preparazione sta per terminare Esperimenti complessi, interdisciplinari. Collaborazioni internazionali necessarie Nuova finestra sulla natura Dimostrata la fattibilità di detector di prima generazione, alla sensibilità di disegno e oltre Prossima generazione di detector (LISA, advanced): “guaranteed detection” E comunque….

30 …siamo tradizionalmente ottimisti
A number of coincident events have been observed, with extremely small probability that they are statistical J. Weber The future of gravitational astronomy looks bright That the quest ultimately will succeed seems almost assured. The only question is when, and with how much further effort. 1983 Interferometers should detect the first waves in 2001 or several years thereafter (…) Km-scale laser interferometers are now coming on-line, and it seems very likely that they will detect mergers of compact binaries within the next 7 years, and possibly much sooner. 2002 Kip S. Thorne Grazie dell’attenzione