2015: GW150914 2030-2034: eLISA-ONDE GRAVITAZIONALI DAL COSMO- ALLA SCOPERTA DI UN UNIVERSO INVISIBILE

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2015: GW150914 2030-2034: eLISA-ONDE GRAVITAZIONALI DAL COSMO- ALLA SCOPERTA DI UN UNIVERSO INVISIBILE
-ONDE GRAVITAZIONALI DAL COSMO-
                     ALLA SCOPERTA DI UN UNIVERSO INVISIBILE

                                 2015: GW150914
                                 2030-2034: eLISA

                                        Monica Colpi
                               Dipartimento di Fisica G. Occhialini
                                  Università di Milano Bicocca
                                    eLISA Consortium Board

                                           I cieli di Brera
                                          13 Aprile 2016

Wednesday, April 13, 16
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The Visible Universe
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14 Settembre 2015
                                               9:50:45 UTC
                             09:50:45 UTC

                                 NASCITA DI UNA NUOVA
                                     ASTRONOMIA

                          fisica fondamentale - astrofisica - cosmologia
                                    conoscenza complementare
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Indice

                     •    gravità: cos’è?

                     •    onde gravitazionali: cosa sono ?

                     •    GW150914 - una scoperta di immensa portata scientifica

                     •    l’universo gravitazionale di LIGO-Virgo

                     •    2034: l’universo gravitazionale di eLISA: quale scienza?
                          quali domande? quali scoperte? che informazione?

                     •    universo multi-banda: eLISA,LIGO-Virgo insieme

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2015: GW150914 2030-2034: eLISA-ONDE GRAVITAZIONALI DAL COSMO- ALLA SCOPERTA DI UN UNIVERSO INVISIBILE
GALILEO
                           GALILEO                      coglie l’unità della Natura
                          1564-1642

                              “ La filosofia è scritta in questo
                           grandissimo libro che continuamente ci
                             stà aperto innanzi agli occhi -io dico
                           l’Universo - ma non si può intendere se
                          prima non si impara a intendere la lingua
                              e conoscere i caratteri nei quali è
                                 scritto. Egli è scritto in lingua              Il Saggiatore
                                          matematica.”

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NEWTON
                          1642-1726

                                   spazio                 tempo
                                 Lo spazio assoluto,     Il tempo assoluto
                                per sua natura senza   vero e matematico in
                               relazione ad alcunché    sé e per sua natura
                                  di esterno, rimane    senza relazione ad
                                   sempre uguale e     alcunché di esterno.
                                       immobile             Tempo scorre
                                 (Newton, Principia)       uniformemente
                                                        (Newton, Principia)

                                    gravità
                           forza a distanza fra masse

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CHE COSA È LA GRAVITÀ ?

                                   The way of Newton
                          mass tells gravity how to exert a force
                           “force tell mass how to accelerate”

                            azione a distanza fra masse
                            istantanea e senza “tocco”

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2015: GW150914 2030-2034: eLISA-ONDE GRAVITAZIONALI DAL COSMO- ALLA SCOPERTA DI UN UNIVERSO INVISIBILE
1915: gravità è manifestazione
                                      della geometria dello spazio tempo

            curvatura dello spaziotempo             contenuto di massa energia

                                    1                 8⇡G
                          Rµ⌫         R gµ⌫ =             T µ⌫
                                    2                  c4
              matter tells spacetime how to curve   spacetime tells matter how to move

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ONDE GRAVITAZIONALI

                             DISTURBI NELLA CURVATURA DELLO
                            SPAZIO TEMPO CAUSATI DAL MOTO DI
                                      GRANDI MASSE

                          SI PROPAGANO ALLA VELOCITA’ DELLA LUCE

                                        IN REALTA’
                               NON VIAGGIANO ATTRAVERSO
                                       LO SPAZIO E’
                                   LA TESSITURA DELLA
                            SPAZIO TEMPO STESSO CHE OSCILLA

Wednesday, April 13, 16
Wednesday, April 13, 16
CORRENTI DI MASSA-ENERGIA
                          INDUCONO PERTURBAZIONI NELLA
                           TESSITURA DELLO SPAZIO TEMPO
                          che propagano alla velocità della luce

                                           2
                              2        1 @ hµ⌫
                            r hµ⌫              =      16⇡Tµ⌫
                                       c2 @t2

                                    gµ⌫ = ⌘µ⌫ + hµ⌫

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ANALOGIE E DIFFERENZE CON
                          FENOMENI ELETTROMAGNETICI

                                   SORGENTI

                          EM
                       CARICHE                GW
                      ELETTRICHE          GRANDI MASSE
                      ACCELERATE           ACCELERATE

           EMISSIONE INCOERENTE
                                              EMISSINE COERENTE
                  DA ATOMI
                                              DA MASSE COSMICHE
               E/O MOLECOLE

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FREQUENZA

                        EM
               LUNGHEZZE D’ONDA
                  MOLTO MINORI
                                                      GW
                DIMENSIONI DELLA
                                               LUNGHEZZE D’ONDA
                   SORGENTE
                                                 CONFRONTABILI
                      (stella!)
                                                DIMENSIONI DELLA
                emesse da particelle
                                                   SORGENTE
                    elementari

                          radio-gamma

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GRAVITÀ

                                 vedere masse
                              “NON LUMINOSE”
                            rivelando le oscillazioni
                               dello spaziotempo

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l’onda intesa è rivelabile attraverso la misura di
                                oscillazioni spaziali su un anello di masse
                                              in caduta libera
                               che fungono nel loro insieme da rivelatori
                          “h” possiede 2 stati di polarizzazione indipendenti

Wednesday, April 13, 16
Wednesday, April 13, 16
Wednesday, April 13, 16
• QUALI SORGENTI?
    • tutte ... ma le uniche “potenti” sono gli oggetti “collassati”
    • lo spaziotempo è una struttura rigida e per “perturbarlo”
          sono necessari cambiamenti nella distribuzione là dove la
          gravità è estrema

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•nane bianche
                    •stelle di neutroni
                    •buchi neri
                    •l’universo
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Binarie

                                                                            ⇥1/2        ⇥3/2
                          1G   1/2
                                     (m1 + m2 )
                                              1/2
                                                                  m1 + m2          R⇥
       fgw = 2forbit =                              ⇥2   10   4
                                                                                               Hz
                                       a3/2                         M⇥              a

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Rivelazione indiretta delle onde gravitazionali
                             Pulsar come orologi cosmici
                                            stabilita’ su 1 parte su 1014
                     sistematiche varizioni nei tempi di arrivo attribuite al moto orbitale

                                         per PSR1913+16 di 7.75 ore

                  tasso di riduzione del periodo orbitale di 76.5 microsecondi per anno

                                           ossia 3.5 metri all’anno

Wednesday, April 13, 16
Wednesday, April 13, 16
BUCO NERO
                            massa
                             spin

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BINARIE di buchi neri

Wednesday, April 13, 16
Wednesday, April 13, 16
LA SCOPERTA

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GW150914
                                onde trasportano energia

                      ⇣ ⌘
                 32 c v 10  5
                                +0.5     56                1
              L'           ⇠ 3.6 0.4 ⇥ 10 erg s
                  5 G c

                            +0.5
                      E'   3 0.5 M   c2

                      s                   21
                        ⇠ h(t) ⇠ 10
                     L

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CAL REVIEW LETTERS                                                            week ending
                                                                          12 FEBRUARY 2016

                                                                             Whitened H1 Strain / 10−21
                                                                                                           1.0                                                  6

                                                                                                           0.5                                                  3

                                                                                                                                                                     σnoise
                                                                                                           0.0                                                  0

her generic                TABLE I. Source parameters for GW150914. We report
                                                                                                          −0.5                                                  −3

                                               GW150914
                                                                                                          −1.0                                                  −6

                                                                             Whitened L1 Strain / 10−21
                                                                                                           1.5

                           median values with 90%   credible intervals that include statistical
                                                                                                                                                                6

ch [73] and
                                                                                                           1.0
                                                                                                                                                                3
                                                                                                           0.5

                                                                                                                                                                     σnoise
                                                                                                           0.0                                                  0
                                                                                                          −0.5      Data                                        −3

                           errors, and systematic errors from averaging the results of
                                                                                                          −1.0      Wavelet

GW150914
                                                                                                                                                                −6
                                                                                                          −1.5      BBH Template
                                                                                                            0.25               0.30   0.35        0.40   0.45
                                                                                                                                       Time / s

ters.                      different waveform models. Masses are given in the source
                           frame; to convert to the detector frame multiply by (1 þ z)
                           [90]. The source redshift assumes standard cosmology [91].

ssion from                 Primary black hole mass                                                                      36þ5
                                                                                                                          −4 M ⊙
   to 99M⊙ ,               Secondary black hole mass                                                                    29þ4
                                                                                                                          −4 M ⊙
 spins up to               Final black hole mass                                                                        62þ4
                                                                                                                          −4 M ⊙
 larger than               Final black hole spin                                                                       þ0.05
                                                                                                                   0.67−0.07
[75], which
    approach               Luminosity distance                                                                     410þ160
                                                                                                                      −180 Mpc
tion theory                Source redshift z                                                                           þ0.03
                                                                                                                   0.09−0.04
del [77,78]
are aligned
e resulting                   When an event is confidently identified as a real
er systems                 gravitational-wave signal, as for GW150914, the back-
  region of
                                                1,2theGy
                           ground used to determine         fa
                                                        significance of other events is
plate wave-                reestimated without the contribution of this event. This is
 Wednesday, April 13, 16
inspiral-merger-ringdown 7
   [27–29], and ii) a              3
 d on extending fre-               2

                            21
 izing PN/EOB with                 1

                             hGW(t)/10
 se the double-spin,               0
 d in Ref. [34], us-               1
nced with reduced-                 2
generation [36, 37]                3
ctive–spin, precess-
                                 250
 nceforth, IMRPhe-
                            fGW(t) (Hz)

                                 200
 st waveforms from
n equations.
  n the region of pa-            100

he error due to dif-
eform models (and                  0
                                               0.15         0.10           0.05         0.00
 ivity waveforms) is                                     Time (seconds)
ainty due to the fi-
ntial modeling sys-
                          FIG. 2. 90% credible regions for the waveform (upper panel) and
orms and generated
     •
mulations primo
 nd sample the pos-
                          GW frequency (lower panel) of GW150914 versus time as estimated
             were gen-testbydithegravità    in campo
                                  LALInference    analysis [3].forte    nellines
                                                                 The solid       settore     dinamico
                                                                                   in each panel
                          dicate the most probable waveform from GW150914 [3] and its GW
                                                                                                 in-

     •
                                                                        end insp
ed for GW150914.
             dati consistenti
                          frequency. con
                                      We   la
                                          mark presenza
                                                 with a verticaldi  orizzonti
                                                                 line f GW       = 132 Hz, which is
  (publicly available     used in the IMR consistency test to delineate the boundary between
                          the inspiral and post-inspiral parts.
     •
s to the data in the
  A furthernessuna
               possible evidenza di violazioni della GR
he calibration of the
 OWednesday,
    detectors.      These
             April 13, 16 same analysis to 100 4-second long segments of data drawn
1655-40
 0620-003
1819.3-2525
 1550-564
  1543-47
 2023+338
 1915+105
 1659-487
  1354=64
 1118+480
 2000+251                                       Z = 0.008        GW150915
 1705-250
 1124-683                 15.65 ± 1.45 M        23   30 M
  1009-45
 1650-500
  0422+32
                             M33 X7              IC-10 X1
                                           I                I               I
                                           20               30              36

Wednesday, April 13, 16
Wednesday, April 13, 16
                          Fig. 1. Example of a specific binary evolution leading to the formation of a BH-BH merger
Redshift
                              15       2.0        1.0              0.5             0.1     0

                   2.5

                          2

                   1.5

                          1

                   0.5

                          0

                              0    2         4      6              8     10        12          14

        Fig. 4 Birth times of GW150914-like progenitors across cosmic time. Half of the binaries that
Wednesday, April 13, 16
DOPO GW150914
                                         ?

                          COALESCENZA DI STELLE DI NEUTRONI

Wednesday, April 13, 16
heory [27–29], and ii) a                             3
  based on extending fre-                            2

                                     21
ybridizing PN/EOB with                               1

                                      hGW(t)/10
 we use the double-spin,                             0
                                                                                                        RINGDOWN
 eloped in Ref. [34], us-                            1
 enhanced with reduced-                              2
  rm generation [36, 37]                             3
 -e↵ective–spin, precess-
                                                   250
0] (henceforth, IMRPhe-
                                     fGW(t) (Hz)
                                                   200
against waveforms from
 nstein equations.
                                                         GW150914
 42], in the region of pa-                         100

14, the error due to dif-
  waveform models (and                               0
                                                         0.15     0.10        0.05       0.00
 -relativity waveforms) is
 ncertainty due to the fi-                                       Text
                                                                Time (seconds)

                                    FIG. 2. 90% credible regions for the waveform (upper panel) andSTELLA DI NEUTRONI
  potential modeling sys-
  aveforms and generated            GW frequency (lower panel) of GW150914 versus time as estimated       “supra-massive”
he simulations were gen-            by the LALInference analysis [3]. The solid lines in each panel in-
des, and sample the pos-            dicate the most probable waveform from GW150914 [3] and its GW
                                                                              end insp
 nferred for GW150914.              frequency. We mark with a vertical line fGW        = 132 Hz, which is
dded (publicly available            used in the IMR consistency test to delineate the boundary between
  gnals to the data in the          the inspiral and post-inspiral parts.
48]. A further possible
 s in the calibration of the
  LIGO detectors. These             same analysis to 100 4-second long segments of data drawn
uded in the results pre-            within a few minutes of GW150914, and produce the cumu-
         BUCO
 t detailed   in Ref.NERO  [3].     lative distribution functions of Bayes factors shown in Fig. 1.
most-probable waveform              We find that, according to the burst analysis, the GW150914
  ch uses unmodeled tem-            residual is not statistically distinguishable from the instrumen-
ency   of GW150914
   Wednesday, April 13, 16   with   tal noise recorded in the vicinity of the detection, suggesting
COLLISIONI

                          MODELLO STANDARD
                            MICROCOSMO
                                                       RELATIVITÀ GENERALE
                           INTERAZIONE FORTE              MACRO-COSMO
                          INTERAZIONE DEBOLE
                                                        INTERAZIONE FORTE
                           particelle elementari       INTERAZIONE DEBOLE
                                  bosoni
                                 fermioni
                           ALFABETO MINIMO

Wednesday, April 13, 16
COLLISIONI

                                       RELATIVITÀ GENERALE
                                          MACROCOSMO
                                             GRAVITÀ

                                            BUCHI NERI
                                          “no hair theorem”
                                            MASSA-SPIN

Wednesday, April 13, 16
LISA PATHFINDER
                                 ESA
                            3 DICEMBRE 2015

Wednesday, April 13, 16
DOPO ?
                           immaginiamo di essere nel 2034

                                          eLISA
                          il primo interferometro nello spazio

Wednesday, April 13, 16
eLISA: 0.1 - 1 mHz

                                                                                          m
                                                              Earth            1 million k

GRAVITATIONAL                                                 10 – 30°
                                                                            60°

 tives can be addressed by a                                        1 AU (150 million km)
  g of 3 drag-free spacecraft           Sun
 on with arm lengths of one
metry between “free-falling”
 s measure the variations in
 s due to the tidal deforma-
nal waves. Compared to the
 e observatories like LIGO
                                                                                    1 AU
  he much richer frequency                                    Sun
Hz, which is inaccessible on
  ions and terrestrial gravity

 bservatory (NGO) mission
                                 Figure 10: eLISA Orbits. The three eLISA-NGO spacecraft follow the Earth
 is an eLISA strawman mis-
bitious science program de-
uated by ESA as both tech-       30°, as shown in Figure 10. Celestial mechanics causes the
 with the L2 cost target. Its    triangle to rotate almost rigidly about its centre as it orbits
 based  on decades of devel-
  Wednesday, April 13, 16        around the sun, with variations of arm length and opening
of the light sent from t
                          Michelson interferometer configuration (Figure 9). The
                                                                                                     etry is performed on an
                          spacecraft follow independent heliocentric orbits without
                                                                                                     telescope and the GRS.
                          any station-keeping and form a nearly equilateral triangle
                          in a plane that is inclined by 60° to the ecliptic. The con-               On the optical bench,
                          stellation follows the Earth at a distance between 10° and                 spacecraft is interfered
                           Daughter                                                   Daughter
                           S/C                                                            S/C                          from 2nd
                                                                                                                            laser
                                                                                                                          source

                                                                                                      Telescope        Optical
                                                                                                                       Bench

                                                            60°
                               1 million km                                     1 million km

                                                                                                                        SC/SC

                                                                                                                       Laser sou

                                                        Mother S/C                                   Thrusters

                                                                       One mother and two daugh-     Figure 11: eLISA payload.
                          ter spacecraft exchanging laser light form a two-arm Michelson interfer-

                          The Gravitational Universe – The eLISA Space Gravitational Wave Observatory

Wednesday, April 13, 16
Mission design                                                             ment, and
                                                                                                                                            with 20 cm
                                                                 The NGO mission has three spacecraft, one ‘mother’ at the
                                                                                                                                            1064 nm al
                                                                 vertex and two ‘daughters’ at the ends, which form a single
                                                                                                                                            of the light
                                                                 Michelson interferometer configuration (Figure 9). The
                                                                                                                                            etry is perf
                                                                 spacecraft follow independent heliocentric orbits without
                                                                                                                                            telescope a
                                                                 any station-keeping and form a nearly equilateral triangle
                                                                 in a plane that is inclined by 60° to the ecliptic. The con-               On the opt
                                I                                stellation follows the Earth at a distance between 10° and                 spacecraft

                            massa test                            Daughter
                                                                  S/C
                                                                                                                             Daughter
                                                                                                                                 S/C

                            luce laser
                                                                                                                                             Telescope

                                                                                                   60°
                                                                      1 million km                                     1 million km

                                                    II                                         Mother S/C

                                                                                                              One mother and two daugh-
                                                                                                                                            Thrusters

                                                                                                                                            Figure 11: eLI
                                                massa test       ter spacecraft exchanging laser light form a two-arm Michelson interfer-

                                                luce laser
                                                                 The Gravitational Universe – The eLISA Space Gravitational Wave Observat

                           dtreturn       1
                                     = 1 + [h+ (t + 2Lx /c)        h+ (t)]
                          dtemission      2
                                          + sorgenti di rumore

                                                 p
                              s(f ) ⇠ hL ⇠ 10 pm/ Hz

Wednesday, April 13, 16
spacecraft follow independent heliocentric orbits without
                                                                                                     telescope and the GRS.
                          any station-keeping and form a nearly equilateral triangle
                             LISA Pathfinder - single unit
                          in a plane that is inclined by 60° to the ecliptic. The con-               On the optical bench,
                          stellation follows the Earth at a distance between 10° and                 spacecraft is interfered
                           Daughter                                                   Daughter
                           S/C                                                            S/C                          from 2nd
                                                                                                                            laser
                                                                                                                          source

                                                                                                      Telescope        Optical
                                                                                                                       Bench

                                                            60°
                               1 million km
                                                            15                21 million km
                                                                                          1/2
                                   a ⇡ 3 ⇥ 10                     m sec          Hz
                                                                                                                        SC/SC

                                                                                                                       Laser sou

                                                        Mother S/C                                   Thrusters

                                                                       One mother and two daugh-     Figure 11: eLISA payload.
                          ter spacecraft exchanging laser light form a two-arm Michelson interfer-

                          The Gravitational Universe – The eLISA Space Gravitational Wave Observatory

Wednesday, April 13, 16
•         l’universo gravitazionale di eLISA: quale scienza? quali
                          domande? quali scoperte?

                •         perché continuare ad esplorare l’universo attraverso la
                          rivelazione diretta delle vibrazioni dello spaziotempo?

Wednesday, April 13, 16
FLUTTUAZIONI
          IN TEMPERATURA riflettono
          FLUTTUAZIONI IN DENSITA’
          CHE DANNO ORIGINE ALLE
            STRUTTURE COSMICHE

Wednesday, April 13, 16
formazione delle galassie
                          aggregazione di sotto-strutture

Wednesday, April 13, 16
I BUCHI NERI PARTECIPANO AL CLUSTERING GERARCHICO
                                   BUCHI NERI “BINARI”

Wednesday, April 13, 16
Wednesday, April 13, 16
Wednesday, April 13, 16
E’ POSSIBILE RISALIRE ALLE PRIME FASI
                                      FORMAZIONE
                             delle GALASSIE nell’UNIVERSO ?

                            COME SI FORMANO I BUCHI NERI
                             CHE ALIMENTANO I QUASAR?
                                sono di origine stellare?

                               BUCHI NERI IN COLLISIONE
                               COME SONDE COSMICHE

Wednesday, April 13, 16
NGC 6240
                           OTTICO                 RAGGI X

                          FORMAZIONE DI BUCHI NERI BINARI
                             IN GALASSIE IN COLLISIONE
Wednesday, April 13, 16
SIMULAZIONE ARTISTICA

Wednesday, April 13, 16
2034: eLISA collisione di buchi neri supermassicci
   Whitened H1 Strain / 10−21

                                 1.0                                                 6

                                 0.5                                                 3

                                                                                          σnoise
                                 0.0                                                 0

                                −0.5                                                 −3

                                −1.0                                                 −6
   Whitened L1 Strain / 10−21

                                 1.5                                                 6
                                 1.0
                                                                                     3
                                 0.5

                                                                                          σnoise
                                 0.0                                                 0
                                −0.5     Data                                        −3
                                −1.0     Wavelet
                                                                                     −6
                                −1.5     BBH Template
                                  0.25              0.30   0.35        0.40   0.45
                                                            Time / s

                                  cambio dell’asse temporale: mesi-giorni-minuti
Wednesday, April 13, 16
Wednesday, April 13, 16
distruzione mareale di stelle

Wednesday, April 13, 16
EMRIs
                          buco nero stellare attorno a un buco nero
                                       supermassiccio

                          tomografia dello spazio tempo attorno a un buco nero

Wednesday, April 13, 16
Wednesday, April 13, 16
ONDE GRAVTAZIONALI
                                DALL’UNIVERSO:
                             BUCO NERO STELLARE
                               IN CADUTA SU UN
                           BUCO NERO SUPERMASSIVO
                              ORBITA ECCENTRICA

                             DALLA FORMA DELL’ONDA SI
                          DETERMINA LA STRUTTURA DELLO
                          SPAZIO TEMPO DI UN BUCO NERO

Wednesday, April 13, 16
Wednesday, April 13, 16
Wednesday, April 13, 16
“Ciò che ci dovremmo aspettare è un mondo caotico
                             del tutto inaccessibile al pensiero. Ci si potrebbe
                          aspettare che il mondo sia governato da leggi soltanto
                               nella misura in cui interveniamo con la nostra
                            intelligenza ordinatrice: sarebbe un ordine simile a
                           quello del dizionario laddove il tipo di ordine creato
                           dalla teoria della gravitazione di Netwon ha tutt’altro
                          carattere. Anche se gli assiomi della teoria sono imposti
                                dall’uomo, il successo di una tale costruzione
                              presuppone un alto grado di ordine del mondo
                          oggettivo, e cioè un qualcosa che a priori non si è per
                          nulla autorizzati ad attendersi. È questo il miracolo che
                               vieppiù si rafforza con lo sviluppo delle nostre
                                                 conoscenze.”

                                                        Einstein, Lettera a Solovine, 30 marzo 1952

Wednesday, April 13, 16
Wednesday, April 13, 16
•       esitono buchi neri di origine stellare cosí massicci ?

         •       come si formano?

         •       in quali galassie?

                                             Fig. 1. Example of a specific binary evolution leading to the formation of a BH-BH merger
                                             similar to GW150914 in mass and time. A massive binary star (96 + 60 M! ) is formed in the
                                             distant past (2 billion years after Big Bang; z ∼ 3.2) and after five million years of evolution
Wednesday, April 13, 16                      forms a BH-BH system (37 + 31 M! ). For the ensuing 10.3 billion years this BH-BH system
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