2015: GW150914 2030-2034: eLISA-ONDE GRAVITAZIONALI DAL COSMO- ALLA SCOPERTA DI UN UNIVERSO INVISIBILE
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-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
14 Settembre 2015 9:50:45 UTC 09:50:45 UTC NASCITA DI UNA NUOVA ASTRONOMIA fisica fondamentale - astrofisica - cosmologia conoscenza complementare Wednesday, April 13, 16
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 Wednesday, April 13, 16
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.” Wednesday, April 13, 16
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 Wednesday, April 13, 16
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” Wednesday, April 13, 16
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 Wednesday, April 13, 16
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
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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⌫ Wednesday, April 13, 16
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 Wednesday, April 13, 16
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 Wednesday, April 13, 16
GRAVITÀ vedere masse “NON LUMINOSE” rivelando le oscillazioni dello spaziotempo Wednesday, April 13, 16
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
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• 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 Wednesday, April 13, 16
•nane bianche •stelle di neutroni •buchi neri •l’universo Wednesday, April 13, 16
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 Wednesday, April 13, 16
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
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BUCO NERO massa spin Wednesday, April 13, 16
BINARIE di buchi neri Wednesday, April 13, 16
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LA SCOPERTA Wednesday, April 13, 16
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 Wednesday, April 13, 16
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
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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
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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
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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
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“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
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• 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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