2015: GW150914 2030-2034: eLISA-ONDE GRAVITAZIONALI DAL COSMO- ALLA SCOPERTA DI UN UNIVERSO INVISIBILE
←
→
Trascrizione del contenuto della pagina
Se il tuo browser non visualizza correttamente la pagina, ti preghiamo di leggere il contenuto della pagina quaggiù
-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
The Visible Universe Wednesday, April 13, 16
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
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, 16Wednesday, 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⌫
Wednesday, April 13, 16ANALOGIE 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, 16FREQUENZA
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, 16GRAVITÀ
vedere masse
“NON LUMINOSE”
rivelando le oscillazioni
dello spaziotempo
Wednesday, April 13, 16l’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, 16Wednesday, 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
Wednesday, April 13, 16•nane bianche
•stelle di neutroni
•buchi neri
•l’universo
Wednesday, April 13, 16Binarie
⇥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, 16Rivelazione 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, 16Wednesday, April 13, 16
BUCO NERO
massa
spin
Wednesday, April 13, 16BINARIE di buchi neri Wednesday, April 13, 16
Wednesday, April 13, 16
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, 16CAL 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, 16inspiral-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 drawn1655-40
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, 16Wednesday, April 13, 16
Fig. 1. Example of a specific binary evolution leading to the formation of a BH-BH mergerRedshift
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, 16DOPO GW150914
?
COALESCENZA DI STELLE DI NEUTRONI
Wednesday, April 13, 16heory [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, suggestingCOLLISIONI
MODELLO STANDARD
MICROCOSMO
RELATIVITÀ GENERALE
INTERAZIONE FORTE MACRO-COSMO
INTERAZIONE DEBOLE
INTERAZIONE FORTE
particelle elementari INTERAZIONE DEBOLE
bosoni
fermioni
ALFABETO MINIMO
Wednesday, April 13, 16COLLISIONI
RELATIVITÀ GENERALE
MACROCOSMO
GRAVITÀ
BUCHI NERI
“no hair theorem”
MASSA-SPIN
Wednesday, April 13, 16LISA PATHFINDER
ESA
3 DICEMBRE 2015
Wednesday, April 13, 16DOPO ?
immaginiamo di essere nel 2034
eLISA
il primo interferometro nello spazio
Wednesday, April 13, 16eLISA: 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 openingof 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, 16Mission 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, 16spacecraft 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, 16FLUTTUAZIONI
IN TEMPERATURA riflettono
FLUTTUAZIONI IN DENSITA’
CHE DANNO ORIGINE ALLE
STRUTTURE COSMICHE
Wednesday, April 13, 16formazione delle galassie
aggregazione di sotto-strutture
Wednesday, April 13, 16I BUCHI NERI PARTECIPANO AL CLUSTERING GERARCHICO
BUCHI NERI “BINARI”
Wednesday, April 13, 16Wednesday, 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, 16NGC 6240
OTTICO RAGGI X
FORMAZIONE DI BUCHI NERI BINARI
IN GALASSIE IN COLLISIONE
Wednesday, April 13, 16SIMULAZIONE 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, 16Wednesday, 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, 16Wednesday, 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, 16Wednesday, 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, 16Wednesday, 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 systemPuoi anche leggere
