Le onde gravitazionali: 5 domande cosmologiche a cui possono rispondere

[Enrico Corsaro]

Alla luce dell'atteso annuncio ufficiale della scoperta delle onde gravitazionali da parte degli operatori del LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), queste increspature dello spazio-tempo non solo rivendicheranno Einstein, ma faranno anche molto di più. Vediamo di scoprire insieme come....
leggi tutto... (http://www.astronomia.com/2016/02/10/le-onde-gravitazionali-5-domande-cosmologiche-a-cui-possono-rispondere/)

[Enrico Corsaro]

Questo articolo è molto importante (e semplice da seguire), consiglio a tutti la lettura!
Siamo, come pare, ad una svolta cruciale per la fisica contemporanea.

[Marcos64]

Molto interessante. Siamo quindi all'alba di una nuova e importante metodologia di indagine, un importante passo verso la comprensione di questo magico universo. Non si puo' che esserne felici.

[Gaetano M.]

@Enrico Corsaro (http://www.astronomia.com/forum/member.php?u=2649), prima si registra il segnale poi viene individuata la fonte grazie alla direzionalità delle onde gravitazionali. Ho letto, però, che vengono inseriti dei falsi segnali che possono essere scambiati per onde gravitazionali per aumentare l'affidabilità dei segnali veri. Come funzionerebbe?
Un'altra cosa: ho letto che potrebbe anche essere questo dell'annuncio un segnale falso.
Qui c'è l'intervista sulle "blind injections" a Monica Branchesi:
http://gallery.media.inaf.it/main.php/v/voci/interviste/20160114-marica-branchesi.mp3.html

[Enrico Corsaro]

Si le blind injections sono realizzate appositamente per simulare lo svolgimento di una procedura reale di rivelazione. Di base se la procedura viene eseguita quando una blind injection viene effettuata, allora il sistema è in ottimo funzionamento. La cosa viene però poi rivelata solo poco prima dell'annuncio di una possibile rivelazione del segnale, in modo da evitare ovviamente la diffusione di un falso. Il tutto è fatto in modo tale da far esercitare l'intera equipe di ricerca e collaudare l'intero apparato strumentale.

Il modo preciso in cui viene immesso il segnale non lo so, dipende tutto dall'apparato e dal sistema di elettronica in uso. Poichè si tratta di segnali che vengono convertiti in onde sonore, immagino che l'iniezione venga effettuata proprio a partire dall'elettronica che genera poi il segnale audio, utilizzato ai fini della scoperta.

[fulvio_]

Vorrei capire come si inserirebbe nel Modello Standard l'eventuale scoperta delle onde gravitazionali. Ciò implicherebbe anche l'esistenza dei gravitoni e dunque avremmo evidenza di una gravità quantistica? :confused:

Grazie!

[Gaetano M.]

Perchè ho sempre l'impressione che non basta Einstein, ma manca un Maxwell che ci spieghi come sono fatte le onde gravitazionali? Increspature dello spazio-tempo e le formule? Sono sicuro, comunque, che domani mi spiegheranno tutto!!!

[Enrico Corsaro]

@fulvio_ (http://www.astronomia.com/forum/member.php?u=2387) e @Gaetano M. (http://www.astronomia.com/forum/member.php?u=32), in effetti si tratta di un problema complesso, ancora pienamente da esplorare. Da quanto so, il modello standard di per sè non prevede gravitoni, poichè le funzioni d'onda associate non risulterebbero rinormalizzabili in gergo. Questo darebbe luogo a infiniti (divergenze) nella stessa teoria del modello standard poichè la teoria della gravità non è ancora ad oggi compatibile con la quantistica.

In effetti i gravitoni non sono previsti dalla teoria classica della relatività generale, che si "limita" a predire l'esistenza delle onde gravitazionali in quanto increspature della metrica dello spazio-tempo. Questo dunque è il riferimento matematico topologico che abbiamo di queste onde, che sono descritte da una equazione tensoriale ricavata dall'equazione di campo di Einstein.
Queste increspature si pensa siano poi fisicamente attribuibili, secondo la teoria quantistica dei campi, alla propagazione di particelle molto energetiche e a massa nulla, cioè i gravitoni.

[carkinzo]

E pensare che io ce l'ho a meno di
10 chilometri di distanza e non ho mai
avuto la possibilità di visitarlo!!!

[Enrico Corsaro]

Aggiornamento: da QUI (http://www.media.inaf.it/inaftv/streaming/) è possibile seguire la diretta streaming da Washington DC della conferenza stampa, alle ore 16.30 di oggi. Non mancate!

[Gaetano M.]

Gli interrogativi sono tanti. Alcuni riportati nell'articolo, ma anche altri non meno importanti. Di cosa è fatto lo spazio-tempo per poter essere curvato dalla massa? La massa fa parte dello spazio-tempo? Lo spazio-tempo è continuo o è granulare? Il paragonare le onde gravitazionali alle onde sonore rende l'idea però richiede un mezzo che trasmette.

[Enrico Corsaro]

Taggo anche gli amici del forum @DarknessLight (http://www.astronomia.com/forum/member.php?u=3442), @Cyg X-1 (http://www.astronomia.com/forum/member.php?u=3766), @Winnygrey (http://www.astronomia.com/forum/member.php?u=4166), @Ares1973 (http://www.astronomia.com/forum/member.php?u=2363), @Morimondo (http://www.astronomia.com/forum/member.php?u=3620), Marcos64, che potrebbero essere interessanti a questa notizia!

[Morimondo]

Gli interrogativi sono tanti. Alcuni riportati nell'articolo, ma anche altri non meno importanti. Di cosa è fatto lo spazio-tempo per poter essere curvato dalla massa? La massa fa parte dello spazio-tempo? Lo spazio-tempo è continuo o è granulare? Il paragonare le onde gravitazionali alle onde sonore rende l'idea però richiede un mezzo che trasmette.

Belle domande


Di cosa è fatto lo spazio-tempo per poter essere curvato dalla massa

Il nulla che si piega, il nulla che si espande a velocità superiore a quella della luce, può far venire il mal di testa.

Ricordo ma non sono riuscito a trovare traccia sul web che molti decenni fa, forse addirittura fine 800, si parlava dello spazio come pervaso da un qualcosa definito etere forse un fluido ma potrei sicuramente sbagliarmi, ora se lo spazio si curva, si modifica a causa della gravita e si espande per i fatti suoi a velocità superiore di c come fa se è vuoto?
Fred Hoyle oramai superato e dimenticato (ricordato solo per aver inventato il termine big gang) spiegava l'espansione con la creazione spontanea di materia. ora questo spazio, questo vuoto ha cosi tante peculiarità da essere forse più misterioso della stessa gravità e dei buchi neri.

[Ares1973]

Grazie Enrico per l'Alert su questo storico (blind injection a parte) appuntamento scientifico e per le ricadute non solo sullo studio della fisica stellare, ma anche e soprattutto per la potenzialità di indagare la natura stessa dello spazio-tempo e correlare tra loro modelli attualmente ancora inconciliabili (quantistica e gravità). Un importante passo avanti per la Scienza e la riconferma dell'efficacia di un metodo in cui la conferma o la confutazione sperimentale di eleganti teorie matematiche rappresenta l'unico viatico per il progresso della conoscenza ed il superamento di una concezione dogmatica delle leggi fisiche che la mente umana stenta ancora abbandonare.;)

[Cyg X-1]

Ciao Enrico, perdona questa incursione di astrofisica nel mondo della relatività ma .... a proposito di pulsar ho questa curiosità:

So che le PULSAR emettono una radiazione di sincrotrone di tipo direzionale; se non sbaglio, le particelle cariche che seguono le linee di forza dell'intenso campo magnetico subiscono variazioni di direzione e velocità che trasformano l'energia cinetica in energia radiante che viene emessa in direzioni peculiari. La rapidissima rotazione della stella la rende simile ad un faro .... cosmico. Vorrei sapere che aspetto ha lo spettro di emissione di sincrotrone: l'emissione avviene in un campo ristretto di frequenze (quali?) oppure è piuttosto "diluito" come avviene per lo spettro delle emissioni termiche?

Alla radiazione di sincrotrone si sovrappone la radiazione termica la quale viene emessa isotropicamente nello spazio, anche se c'è probabilmente da considerare la rotazione dello spazio-tempo che dovrebbe distorcere tale emissione. Comunque, vorrei sapere qual'è la temperatura superficiale di una pulsar tipica e quindi in quale campo di frequenze cade il massimo di emissione della radiazione termica.

La rapidissima rotazione della stella non dovrebbe inoltre essere rivelata anche dall'aumento di frequenza della radiazione emessa dal lato in avvicinamento e dalla diminuzione di frequenza della radiazione emessa dal lato in allontanamento? O forse la zona è talmente ristretta che il potere risolutivo richiesto è fuori portata dei nostri telescopi?

Grazie

[Gaetano M.]

Ricordo ma non sono riuscito a trovare traccia sul web che molti decenni fa, forse addirittura fine 800, si parlava dello spazio come pervaso da un qualcosa definito etere forse un fluido ma potrei sicuramente sbagliarmi, ora se lo spazio si curva, si modifica a causa della gravita e si espande per i fatti suoi a velocità superiore di c come fa se è vuoto?

Questo per chiarirti le idee: https://it.wikipedia.org/wiki/Esperimento_di_Michelson-Morley
Poi il fallimento di questo esperimento (fallimento perchè il risultato è stato diverso da quello che voleva provare) ha aperto la strada alla relatività ristretta con abbandono dell'etere come supporto delle onde elettromagnetiche. Ma, poi. l'etere cacciato dalla porta potrebbe essere rientrato dalla finestra...

[Enrico Corsaro]

Ci siamo quasi ragazzi: QUI (https://www.youtube.com/watch?v=c7293kAiPZw) la diretta.

Visionerò le domande più tardi :biggrin:.

[Morimondo]

l'etere cacciato dalla porta potrebbe essere rientrato dalla finestra...

in effetti, prima di Enstein poteva aver senso un esperimento simile, ma a tutti gli effetti se la velocità della luce è costante in ogni direzione, l'esperimento non può dimostrare nulla ne presenza ne assenza mi pare.

[Enrico Corsaro]

E' ufficiale! Le onde gravitazionali sono state rilevate, prodotte da due buchi neri in fusione!

[Enrico Corsaro]

Alcuni numeri per dare l'idea di cosa è stato osservato:

Il sistema binario di buchi neri è stato rilevato a circa 1.3 miliardi di anni luce di distanza.
I due buchi neri in collisione hanno avuto una massa di circa 30 masse solari ciascuno, e hanno impattato ad una velocità pari a circa metà della velocità della luce.

Un mostruoso evento del genere ha causato una variazione in lunghezza misurata da Terra pari a poco più la dimensione di un protone.

[Morimondo]

Alcuni numeri per dare l'idea di cosa è stato osservato:

Il sistema binario di buchi neri è stato rilevato a circa 1.3 miliardi di anni luce di distanza.
I due buchi neri in collisione hanno avuto una massa di circa 30 masse solari ciascuno, e hanno impattato ad una velocità pari a circa metà della velocità della luce.

Un mostruoso evento del genere ha causato una variazione in lunghezza misurata da Terra pari a poco più la dimensione di un protone.

In un sistema binario si possono raggiungere velocità cosi alte in cosi poco spazio?

[Enrico Corsaro]

Si se si tratta di buchi neri di quelle masse. La forza gravitazionale è talmente grande che l'energia sprigionata dalla collisione ha liberato in un istante l'equivalente di 3 masse solari. Detto in altre parole, l'energia liberata è stata pari a 50 volte quella irradiata da tutte le stelle dell'Universo osservabile messe insieme!

[Enrico Corsaro]

Questa è l'immagine chiave del segnale rilevato. Sono sovrapposte due misure indipendenti dello stesso segnale, fornite dai due LIGO (uno nello stato di Washington e l'altro nello stato della Louisiana). La misura è stata prima rilevata nello stato del Washingotn (in rosso) e appena 7 millisecondi dopo è arrivata in Lousiana.
L'ampiezza del segnale, come vedete ben distinguibile dal livello di rumore di fondo, è proporzionale alla distanza del fenomeno. La frequenza invece dell'ondulazione e la modulazione con il tempo ci permettono di capire che tipo di fenomeno l'ha prodotta. Le simulazioni date dalla risoluzione dell'equazione tensoriale delle onde gravitazionali ricavata dall'equazione di campo di Einstein per la relatività generale fornisce una PREDIZIONE di questo segnale nel caso dei due buchi neri che coincide egregiamente con quanto osservato.

Vi faccio notare che l'ampiezza del segnale è misurata in strain, dove uno strain è un numero frazionario che rappresenta l'entità dello stiramento della trama dello spazio-tempo. Su di una lunghezza di qualche chilometro, uno strain coincide con una variazione di 10-18 metri, vale a dire la bellezza di 1 millesimo della dimensione del NUCLEO di un atomo.
Per il futuro, la sensibilità di LIGO verrà migliorata di un altro fattore 3, vale a dire che saremo in grado di sentire le onde gravitazionali fino a distanze 3 volte superiori di oggi, aumentando dunque il volume di universo coinvolto di un fattore 30!

15971

[Marcos64]

Trovo strabiliante la possibilita' di misurare entita' cosi' infinitamente piccole!

[Gaetano M.]

Enrico, questo spostamento di 7 millisecondi è dovuto alla rotazione terrestre?

[Ares1973]

Se non erro la dottoressa González ne ha fatto ascoltare il suono, che più che un cinguettio rassomiglia ad un inquietante fruscio modulato.:whistling:

[Enrico Corsaro]

Gaetano M., devo verificare per sicurezza ma dovrebbe essere causato dalla distanza diversa dei due punti dalla sorgente. Se non erro da quello che ho sentito, dovrebbero aver ottenuto un nuovo limite superiore di massa per i gravitoni.

QUI (https://dcc.ligo.org/public/0122/P150914/014/LIGO-P150914%3ADetection_of_GW150914.pdf) trovate l'articolo appena pubblicato. Una sola parola per quello che è successo: fantastico!

[Enrico Corsaro]

Ho appena fatto un rapido calcolo. 7 millisecondi equivale alla distanza percorsa dalla luce tra i due siti usati da LIGO, circa 2500 km di distanza. Dunque il ritardo è dovuto alla propagazione delle onde gravitazionali attraverso lo spazio-tempo. Certamente si propagano a velocità molto elevata, ma la precisione e l'accuratezza della misura non ci permette ancora di dire se è esattamente la velocità della luce oppure un valore inferiore.

[SVelo]

Grandioso!:D

[Gaetano M.]

Sto cercando di inquadrare il problema. 7 millisecondi alla velocità della luce sono 2100 km. La distanza dei due rilevatori non conta; conta invece il diverso percorso, quindi mi manca il dato sulla posizione della sorgente al momento del rilevamento. Se dici che la distanza dei rilevatori è 2500 km, considerando i raggi, vista la distanza, paralleli dovrebbero arrivare con una inclinazione di 30/35°, con una diminuzione del percorso a 2100 km.

[Enrico Corsaro]

Sto cercando di inquadrare il problema. 7 millisecondi alla velocità della luce sono 2100 km. La distanza dei due rilevatori non conta; conta invece il diverso percorso, quindi mi manca il dato sulla posizione della sorgente al momento del rilevamento. Se dici che la distanza dei rilevatori è 2500 km, considerando i raggi, vista la distanza, paralleli dovrebbero arrivare con una inclinazione di 30/35°, con una diminuzione del percorso a 2100 km.

Certo che la distanza conta, ho fatto solo un conto grossolano per capirci si intende. Ovviamente a questo devi legare la direzionalità della sorgente, e la posizione in cui si trovava la Terra nel suo moto di rotazione intorno all'asse (non è detto che siano 30/35° come dici, bisognerebbe vedere la cosa con molta attenzione). Poco conta comunque questo dettaglio per capire l'entità del ritardo tra i due rilevatori, il punto è siamo nell'ordine del migliaio di km di distanza percorsa dall'onda tra le due sorgenti, il che spiega un ritardo dell'ordine del millesimo di secondo.

Il motivo per cui non si ha una precisione sufficiente per calcolare la velocità dell'onda è che non si è riusciti a localizzare bene da dove proveniva il segnale. La regione di confidenza ha una ampiezza di circa 70-80 gradi angolari, piuttosto vasta. Quando in futuro si aggiungerà un terzo interferometro si potrà fare triangolazione, ed aggiungendone un quarto si potrà arrivare a vincolare la posizione nel cielo della sorgente entro appena pochi gradi angolari.

[Gitt]

L'ampiezza del segnale, come vedete ben distinguibile dal livello di rumore di fondo, è proporzionale alla distanza del fenomeno.


Le onde gravitazionali, quindi, diminuiscono in ampiezza all'aumentare della distanza, in altre parole vengono attenuate?
Se si, perchè? Interagiscono con la materia? Generano "attrito" propagandosi nella metrica dello spazio-tempo?

[Red Hanuman]

Beh, con un po' di buon senso, penso che vengano attenuate con il quadrato della distanza, esattamente come le onde luminose.
L'energia sviluppata si distribuisce sfericamente ed uniformemente (a meno di eccezioni), e viene attenuata se viene assorbita dalle masse circostanti.
Lascio ad Enrico il compito di correggermi... ;)

[Enrico Corsaro]

Ciao Gitt, si Red ti ha già spiegato benissimo. Avviene la stessa identica cosa per la radiazione luminosa. La potenza (energia per tempo) emessa da una sorgente puntiforme (o comunque pressocchè sferica) si propaga radialmente a partire dalla sorgente descrivendo una superficie sferica in espansione a velocità c. Poichè l'energia emessa si deve conservare, ma la superficie sferica su cui è distribuita aumenta con il tempo, cioè con il propagarsi dell'onda, allora la potenza in un dato punto della sfera diminuisce con il tempo. L'ampiezza è direttamente legata alla potenza del segnale (è intesa come la sua radice quadrata in teoria dei segnali) e dunque diminuisce anch'essa.

[carkinzo]

Giusto per inserire anche qualche piccola
curiosità, visto che non sono all'altezza di
affrontare certi temi, girovagando per la rete,
ho scoperto che nel team americano che ha
scoperto questa cosa, è presente anche una
ragazza italiana che ci fa sicuramente onore.
Si chiama Lisa Barsotti e questo nome non mi
era nuovo e dopo aver visto le foto, l'ho riconosciuta.
Praticamente è del mio paese!!!
:)

[Enrico Corsaro]

Assolutamente! Il contributo Italiano è stato ed è essenziale in questo campo. Il primo collaboratore di LIGO è Virgo, proprio tutto italiano. Inoltre, l'italiano Marco Drago è stato il primo a trovare il segnale nei dati ;), come avevo anche scritto nell'altro articolo. Chissà che non ci esca un Nobel anche per lui!

[Enrico Corsaro]

So che le PULSAR emettono una radiazione di sincrotrone di tipo direzionale; se non sbaglio, le particelle cariche che seguono le linee di forza dell'intenso campo magnetico subiscono variazioni di direzione e velocità che trasformano l'energia cinetica in energia radiante che viene emessa in direzioni peculiari. La rapidissima rotazione della stella la rende simile ad un faro .... cosmico. Vorrei sapere che aspetto ha lo spettro di emissione di sincrotrone: l'emissione avviene in un campo ristretto di frequenze (quali?) oppure è piuttosto "diluito" come avviene per lo spettro delle emissioni termiche?


Premettendo che ancora sulle Pulsar si sa poco e che si tratta di un campo ancora tutto da esplorare. Quello che dici è giusto, cioè che la radiazione di sincrotrone viene emessa da particelle cariche in moto a velocità prossime a quelle della luce. La particolarità di questa radiazione è che risulta estremamente piccata sia in frequenza che in direzione, a causa del moto relativistico che si viene a creare ad esempio sotto effetto dell'intenso campo magnetico di una pulsar. Lo spettro che vediamo è quindi caratterizzato da un impulso che va dall'ordine del millisecondo a qualche frazione di secondo di durata.
L'emissione avviene tipicamente dalle onde radio fino ai raggi gamma, passando per l'ottico e i raggi X. Ha una forma di tipo esponenziale (a impulsi).



Alla radiazione di sincrotrone si sovrappone la radiazione termica la quale viene emessa isotropicamente nello spazio, anche se c'è probabilmente da considerare la rotazione dello spazio-tempo che dovrebbe distorcere tale emissione. Comunque, vorrei sapere qual'è la temperatura superficiale di una pulsar tipica e quindi in quale campo di frequenze cade il massimo di emissione della radiazione termica.

Essendo le pulsar il residuo nucleo di una supernova, le temperature superficiali possono inizialmente aggirarsi intorno a diverse centinaia di milioni di gradi Kelvin (se non addirittura al miliardo), ma a causa di questa elevatissima temperatura l'energia viene radiata molto molto velocemente ed esse rapidamente scendono sotto il milione di gradi Kelvin, anche nel giro di pochi giorni. Per queste temperature, la radiazione termica è piccata nei raggi gamma, 10-12 m di lunghezza d'onda.



La rapidissima rotazione della stella non dovrebbe inoltre essere rivelata anche dall'aumento di frequenza della radiazione emessa dal lato in avvicinamento e dalla diminuzione di frequenza della radiazione emessa dal lato in allontanamento? O forse la zona è talmente ristretta che il potere risolutivo richiesto è fuori portata dei nostri telescopi?

No in realtà perchè ciò che osservi è sostanzialmente il fascio collimato di radiazione di sincrotrone, ed è proprio per questo che in una pulsar si osserva sempre una coppia di impulsi, separati l'uno dall'altro da mezzo periodo di rotazione. La stella è talmente piccola e lontana da non permetterci di risolvere il disco e di capire quali regioni si stanno allontanando e quali si stanno avvicinando.