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Buchi neri -
Quando la gravità si fa potente
Alessandra Gnecchi
CERN, Theoretical Physics Department
9 Ottobre 2017
H2020-MSCA-IF-2015
702548 GaugedBH
Outline
1. Perchè studiare i buchi neri?
• Intro - Gravità e relatività generale
• Soluzioni di Buco Nero
• Cos’è l’information paradox?
2. Cosa sono le onde gravitazionali e come sono
state osservate?
Cosa “rimane” da scoprire…?
2A. Gnecchi – ITP @ CERN
Perchè studiare i buchi neri?
3
Animation created by Prof. Andrea Ghez and her research team
at UCLA and are from data sets obtained with the W. M. Keck
Telescopes.
• Punto finale del collasso gravitazionale di stelle sufficientemente massive
• “Non” emettono luce ma si possono riconoscere e studiare • Sono sistemi talmente attrattivi che
influenzano l’orbita dei corpi celesti che li circondano.
• Possiamo rilevare onde gravitazionali!!!
A. Gnecchi – ITP @ CERN
• Soluzioni classiche della relatività generale
caratterizzati da un orizzonte che copre una singolarità
La relatività generale è ancora una teoria valida vicino
alla singolarità?
From the Movie «Interstellar»
Dalla teoria Newtoniana ad Einstein
• Principio di gravitazione universale
Accoppiamento di corpi massivi alla gravità tramite una costante: 𝐺Non descrive l’accoppiamento della luce, i fotoni hanno massa nulla
• Assume che la forza sia trasmessa istantaneamente
Analogamente, è valida quando le velocità del sistema è molto minore della velocità
della luce 𝑣 ≪ 𝑐
• Il potenziale gravitazionale è approssimativamente costante e debole|Φ|
𝑐2≪ 1
È valida lontano dalla sorgente di massa
• Non permette di descrivere l’universo nel suo insieme
4A. Gnecchi – ITP @ CERN
• La velocità della luce è finita e costante in ogni sistema di riferimento se lo spazio
e tempo sono equivalenti, e definiscono un quadrivettore 𝑥𝜇 = (𝑐𝑡, 𝑥, 𝑦, 𝑧)Relatività ristretta: 𝐸 = 𝑚𝑐2
• Gli effetti della gravità si possono eliminare localmente per una scelta di coordinate
in ogni punto dello spazio tempo
Relatività generale: la gravità è la manifestazione della curvatura dello spazio-tempo
Teoria della relatività generale
• Teoria della relatività generale [Einstein, 1905]: La geometria dello spazio-tempo è determinata dalla distribuzione di materia in esso contenuta secondo le equazioni di Einstein
𝑅𝜇𝜈 −1
2𝑅 𝑔𝜇𝜈 = 8 𝜋 𝐺𝑁 𝑇𝜇𝜈
5
Geometria Materia
Riemann tensor: 𝑅𝜇𝜈𝜌𝜎Ricci tensor: 𝑅 𝜇𝛼𝜈
𝛼
Ricci scalar: 𝑅 = 𝑅𝜇𝜈 𝑔𝜇𝜈
Metrica: 𝑔𝜇𝜈 = 𝑔𝜇𝜈 𝑥𝛼
Invarianza per diffeomorfismi:
𝑥𝜇 → 𝑥′𝜇(𝑥)
Tutti i sistemi di riferimento (coordinate) sono equivalenti
4-Tensore energia-impulso
densità
di energia
densità
di momento
flusso
di energia
stress
tensor
A. Gnecchi – ITP @ CERN
• Elemento di linea, definisce le distanze
𝑑𝑠2 = 𝑔𝜇𝜈 𝑑𝑥𝜇 𝑑𝑥𝜈
Spazio euclideo
𝑑𝑠2 = 𝑑𝑥12 + 𝑑𝑥2
2 + 𝑑𝑥32 + 𝑑𝑥4
2 …+ 𝑑𝑥𝑛2
= 𝑑𝑥1, 𝑑𝑥2, 𝑑𝑥3, 𝑑𝑥4
1 00 1
0 00 0
0 00 0
1 00 1
𝑑𝑥1𝑑𝑥2𝑑𝑥3𝑑𝑥4
In generale
𝑑𝑠2 = 𝑔𝜇𝜈 𝑑𝑥𝜇 𝑑𝑥𝜈
= 𝑑𝑥1, 𝑑𝑥2, 𝑑𝑥3, 𝑑𝑥4
𝑔11 𝑔12𝑔12 𝑔22
𝑔13 𝑔14… …
… …… …
𝑔33 …. . 𝑔44
𝑑𝑥1𝑑𝑥2𝑑𝑥3𝑑𝑥4
6A. Gnecchi – ITP @ CERN
Geometria dello spazio-tempo
Geometria dello spazio-tempo
7
• Cono di luce
• Intervalli –
distanza nello spazio
tempo
0
t
x𝑑𝑠2 > 0 tipo spazio (B)
𝑑𝑠2 = 0 tipo luce
(linee a 45 gradi)
𝑑𝑠2 < 0 tipo tempo (A)
A .
. B
• Lo spazio piatto (c=1)
𝑑𝑠2 = −𝑑𝑡2 + 𝑑𝑥12 + 𝑑𝑥2
2 + 𝑑𝑥32 ( …+ 𝑑𝑥𝑛
2)
t=xt=-x
A. Gnecchi – ITP @ CERN
Soluzioni delle equazioni di Einstein• Alcune soluzioni note sono:
• Lo spazio piatto
𝑑𝑠2 = −𝑑𝑡2 + 𝑑𝑥12 + 𝑑𝑥2
2 + 𝑑𝑥32 ( …+ 𝑑𝑥𝑛
2)
In assenza di materia, 𝑇𝜇𝜈 = 0 , soluzione 𝑅𝜇𝜈 = 0
• L’universo in espansione (omogeneo, isotropico)
𝑑𝑠2 = −𝑑𝑡2 + 𝑎2(𝑡)𝑑𝑟2
1 − 𝐾𝑟2+ 𝑟2(𝑑𝜃2 + sin 𝜃2 𝑑𝜙2)
Distribuzione di materia – fluido perfetto
𝑇𝜇𝜈 = 𝜌 + 𝑝 𝑈𝜇𝑈𝜈 + 𝑔𝜇𝜈 𝑝 =
𝜌 0
00 0
00
𝑔𝑖𝑗 𝑝
• Universo dominato da materia
• Universo dominato da radiazione
• La maggior parte delle soluzioni sono troppo complicate per essere ottenute analiticamente. Si ricorre alla numerical GR
8A. Gnecchi – ITP @ CERN
Soluzioni di buco nero
• Schwarzschild [1916]: una soluzione alle equazioni di Einstein, con energia non nulla.– caveat: l’universo presenta una singolarità!
• Ipotesi di censura cosmica (cosmic censorship):• Singolarìtà nude non possono formarsi dal collasso
gravitazionale di una generica distribuzione di materia, inizialmente non singolare, che soddisfa delle condizioni sull’energia
• Buco nero – Soluzione classica• Distribuzione di massa in uno spazio con un
punto singolare che è però coperto da un orizzonte degli eventi
• Lo spazio è diviso dall’orizzonte in due zone che non sono in comunicazione causale: non possiamo dialogare con chi si trova dentro l’orizzonte, siamo fisicamente separati dalla singolarità!
9
B
H
image from S.M.Carrol
Spacetime and Geometry,
Addison-Wesley
A. Gnecchi – ITP @ CERN
Soluzioni di buco nero
• Soluzione di Schwarzschild
𝑑𝑠2 = − 1 −2 𝐺𝑀
𝑟𝑑𝑡2 +
𝑑𝑟2
1 −2 𝐺𝑀𝑟
+ 𝑟2𝑑Ω2
Raggio dell’orizzonte: 𝑟ℎ = 2 𝐺 𝑀
Singularity at r=0: Kretschmann scalar
𝑅𝜇𝜈𝜌𝜎𝑅𝜇𝜈𝜌𝜎 =48 𝐺2𝑀2
𝑟6
• Soluzione di Reissner-Nordstrom,
𝑑𝑠2 = − 1 −2 𝐺𝑀
𝑟+𝐺(𝑄2 + 𝑃2)
𝑟2𝑑𝑡2 +
𝑑𝑟2
1 −2 𝐺𝑀𝑟
+𝐺(𝑄2 + 𝑃2)
𝑟2
+ 𝑟2𝑑Ω2
Raggio degli orizzonti: 𝑟± = 𝐺𝑀 ± 𝐺2𝑀2 − 𝐺(𝑄2 + 𝑃2)
Per non avere singolarità nude la massa deve essere 𝑀 ≥ 𝑄2 + 𝑃2
A. Gnecchi – ITP @ CERN 10
B
H
Soluzioni di buco nero
• Soluzione di Kerr
𝑑𝑠2 = − 1 −2 𝐺𝑀
𝜌2𝑑𝑡2 −
2 𝐺𝑀 𝑎 𝑟 sin2 𝜃
𝜌22 𝑑𝑡 𝑑𝜙 +
+𝜌2
Δ𝑑𝑟2 + 𝜌2𝑑𝜃2 +
sin2 𝜃
𝜌2(𝑟2 + 𝑎2)2−𝑎2Δ sin2 𝜃 𝑑𝜙2
• Funzioni metriche
Δ = 𝑟2 − 2𝐺𝑀 𝑟 + 𝑎2 , 𝜌2 = 𝑟2 + 𝑎2 cos2 𝜃 ,
• Momento angolare
𝑎 = 𝐽/𝑀
A. Gnecchi – ITP @ CERN 11
Soluzioni stazionarie!
[Image by Hawking, Ellis
“The large scale structure of space-time”,
Cambridge Univ. Press, 1973]
Buco nero quasi estremale GRS1905+105
A. Gnecchi – ITP @ CERN 12
Buco nero di un sistema binario di
stelle con emissione nei raggi X
sul piano galattico
Valori dei parametri di rotazione
Entro il 2% dall’estremalità,
secondo il bound
Particelle in moto in spazio curvo• Accelerazione di una particella per effetto di
gravità
ത𝑎 = − 𝛻 Φ
• Potenziale gravitazionale soddisfa una equazione di Poisson con sorgente la distribuzione di materia
𝛻2Φ=4𝜋 𝐺 𝜌(𝑥, 𝑦, 𝑧)
• Per una particella a riposo
𝑑2𝑥(𝑡)
𝑑𝑡2= 0
• Nello spazio curvo una particella descrive una traiettoria 𝑥𝜇(𝜆) in caduta libera quando il vettore tangent alla sua velocità è trasportato parallelamente
𝐷
𝑑𝜆
𝑑𝑥𝜇
𝑑𝜆= 0
𝑑2𝑥𝜇
𝑑𝜆2+ Γ𝜐𝜎
𝜇 𝑑𝑥𝜈
𝑑𝜆
𝑑𝑥𝜎
𝑑𝜆= 0
A. Gnecchi – ITP @ CERN 13
Particelle in moto in spazio curvo
Nel limite di campo debole si ritrova la gravità
Newtoniana
• Parametro affine: tempo proprio
𝜏 = න −𝑔𝜇𝜈𝑑𝑥𝜇
𝑑𝜆
𝑑𝑥𝜇
𝑑𝜆𝑑𝜆
• Particelle non relativistiche in moto “lento”
𝑑𝑥𝑖
𝑑𝜏≪
𝑑𝑡
𝑑𝜏• Geodetiche
A. Gnecchi – ITP @ CERN 14
𝑑2𝑥𝜇
𝑑𝜏2+ Γ00
𝜇 𝑑𝑡
𝑑𝜏
2
= 0
Particelle in moto in spazio curvo
Nel limite di campo debole si ritrova la gravità
Newtoniana
• regione asintotica
𝑔𝜇𝜈 ≈ 𝜂𝜇𝜈 + ℎ𝜇𝜈 ℎ𝜇𝜈 ≪ 1
• equazioni delle geodetiche diventano
𝑑2𝑡
𝑑𝜏2= 0 = Γ00
0𝑑2𝑥𝑖
𝑑𝑡2=1
2𝜕𝑖ℎ00
• Il potenziale Newtoniano si recupera
identificando
ℎ00 = −2Φ 𝑔00 ≈ −(1 + 2Φ)
A. Gnecchi – ITP @ CERN 15
𝑟 ≫ ҧ𝑟
regione di campo debole
𝑟 ~ ҧ𝑟
A. Gnecchi – ITP @ CERN 16
BH
regione asintotica
di campo debole𝑟 → +∞
𝑟 ~ 𝑟ℎ
Regione asintotica della metrica di
Schwarzschild
𝑔00 = − 1 −2 𝐺𝑀
𝑟
• quando 𝑟 ≫ 2 𝐺𝑀 campo debole
𝑔𝜇𝜈 ≈ 𝜂𝜇𝜈 + ℎ𝜇𝜈 ℎ𝜇𝜈 ≪ 1
• ritroviamo il potenziale Newtoniano (con i
corretti parametric)
ℎ00 =2 𝐺𝑀
𝑟→ −
𝐺𝑀
𝑟= Φ
Particelle in moto in spazio curvo
Struttura dello spazio tempo di Schwarzschild
A. Gnecchi – ITP @ CERN 17
BH
regione asintotica
di campo debole
𝑟 → +∞
𝑟 ~ 𝑟ℎ
Red(/blue)shift gravitazionale
tra due osservatori a fissi 𝑟1 ed 𝑟2
∆𝜏 = 1 − 2𝐺𝑀/𝑟∗ Δ𝑡 , Δ𝜏 = 𝜆
𝜔 1 − 2𝐺𝑀/𝑟∗ = 𝐸
𝜔2
𝜔1=
1 − 2𝐺𝑀/𝑟1
1 − 2𝐺𝑀/𝑟2→ 0 , 𝑟1 → 2𝐺𝑀
la radiazione all’orizzonte scompare alla
vista dell’osservatore all’infinito
• Se entrambi 𝑟1, 𝑟2 ≫ 2GM , il redshift è
proporzionale al ΔΦ(𝑟1, 𝑟2)
𝜔2
𝜔1≈ 1 −
𝐺𝑀
𝑟1+𝐺𝑀
𝑟2
𝜔1
𝜔2
Struttura dello spazio tempo di Schwarzschild
A. Gnecchi – ITP @ CERN 18
BH
regione asintotica
di campo debole
𝑟 → +∞
𝑟 ~ 𝑟ℎ
La struttura causale di una metrica si può
essere letta dal comportamento dei coni di luce
in ogni punto dello spazio tempo
• Geodetiche della luce 𝑑𝑠2 = 0
𝑑𝑡
𝑑𝑟= ± 1 −
2 𝐺𝑀
𝑟
−1
• avvicinandosi all’orizzonte, per percorrere
una distanza dr occorre sempre più tempo,
fino a che la particella sull’orizzonte
appare ferma
• Un osservatore asintotico vede il fotone
fermarsi all’orizzonte del BH.
• Non c’è connessione causale tra
l’esterno e l’interno del buco nero
Particelle in presenza di un BH
A. Gnecchi – ITP @ CERN 19
BH
𝑟 ~ 𝑟ℎ
Crossing r=2GM
• Eddington-Finkelstein coordinates
𝑑𝑠2 = − 1 −2 𝐺𝑀
𝑟𝑑𝑣2 + 2 𝑑𝑣 𝑑𝑟 + 𝑟2𝑑Ω2
• 𝑑𝑣 > 0 corrisponde a una traiettoria
diretta nella direzione di coordinate 𝑡crescente
𝑑𝑣
𝑑𝑟=
0 infalling
2 1 −2 𝐺𝑀
𝑟
−1
• ogni sfera di raggi costante 𝑟∗ ≤ 2𝐺𝑀 é
unaTrapped surface
Particelle in moto in presenza di un BH
A. Gnecchi – ITP @ CERN 20
spazio di
Rindler,
un osservatore
percepisce una
accelerazione costante
Ԧ𝑔 = 𝜅
𝑟 ~ 𝑟ℎ
Regione vicino all’orizzonte del buco nero
• Introduciamo un’altra coordinata ed espandiamo
la metrica intorno a r=2GM
𝑟 = 2𝐺𝑀 +𝑥2
8𝐺𝑀
𝑑𝑠2 ≈ − 𝜅2𝑥2𝑑𝑡2 + 𝑑𝑥2 + 2𝐺𝑀 2 𝑑Ω2,
𝜅 = 4𝐺𝑀 −1
• La metrica è la metrica dello spazio piatto, di
Minkowski, ma in un sistema di riferimento accelerato
Ԧ𝑔 = 𝜅
• Un osservatore in caduta libera nell’orizzonte
percepisce uno spazio approssimamente piatto
• In presenza di campi quantistici questa assunzione
può portare a paradossi!
Termodinamica dei buchi neri
Radiazione di Hawking
come produzione di coppie
particella-antiparticella nel
vuoto quantistico intorno alla
regione dell’orizzonte
A. Gnecchi – ITP @ CERN 21
Quali sono i microstati
che danno origine
all’entropia?
Teorema di “no hair” : in RG esiste un’unica soluzione con date
cariche conservate M, Q, J
I microstati appartengono ad una nuova teoria che estende la
RG, per esempio una teoria quantistica della gravità!
22
teoria in 10/11 dimensioni, i costituenti fondamentali sono estesi, è uno
dei pochi esempi consistenti di teoria quantistica che descrive la gravità
X4d
spazio di Calabi-Yau
x5x3
x2
x1
,
t=x0
, x
M-brane
gravità forte
Soluzioni in teoria delle stringhe/M-teoria
gravità deboleTeoria
supersimmetrica!
A. Gnecchi – ITP @ CERN
Campi quantistici all’orizzonte
23
???
𝑟 ~ 𝑟ℎ
• Struttura causale di Rindler – due “wedges”: Entanglement quantistico per campi all’orizzonte
• La presenza di questo entanglement per un osservatore all’infinito, che osserva la radiazione di buco nero, contraddice la statistica quantistica
• Paradosso di Mathur-AMPS:“Principio di equivalenza, approssimazione di teoria effettiva e unitarietà non possono valere contemporaneamente nella descrizione dell’evoluzione (evaporazione) di un buco nero”
• Una soluzione (provocatoria): l’orizzonte non è smooth, vuoto, ma c’è un firewall! L’osservatore in caduta libera viene bruciato prima di attraversare l’orizzonte!!
• Dobbiamo ripensare alla gravità già alla scala 𝑟 ~ 𝑟ℎ , oppure non possiamo quantizzare i campi assumendo un background fisso..
L R
|𝜓 > =
𝑛,𝑚
|𝑛 >𝐿 ⨂|𝑚 >𝑅
A. Gnecchi – ITP @ CERN
Onde gravitazionali (rivelazione)
A. Gnecchi – ITP @ CERN 24
Teoria delle onde gravitazionali
A. Gnecchi – ITP @ CERN 25
• Relatività generale linearizzata
• Fluttuazioni della metrica dello spazio tempo
𝑔𝜇𝜈 ≈ 𝜂𝜇𝜈 + ℎ𝜇𝜈 ℎ𝜇𝜈 ≪ 1
𝑔𝜇𝜈 ≈ 𝑔𝜇𝜈 + ℎ𝜇𝜈 differenti scale
• 𝑔𝜇𝜈 è lo spazio di riferimento, le equazioni di Einstein si semplificano.
Gradi di libertà del tensore linearizzato
• L’invarianza per diffeomorfismi si traduce sulla metrica nella simmetria per
trasformazioni di gauge generate come
ℎ𝜇𝜈 → ℎ𝜇𝜈 + 𝜕𝜇𝜉𝜐 + 𝜕𝜐𝜉𝜇
• Si possono mettere a zero alcune componenti, in particolare
𝑅𝛼𝛽 =1
2−□ℎ𝛼𝛽 + 𝜕𝛼𝑉𝛽 + 𝜕𝛽𝑉𝛼
□≡ 𝜂𝛼𝛽𝜕𝛼𝜕𝛽 = −𝑑2
𝑑𝑡2+ 𝛻2
• Si può scegliere:
𝑉𝛼 = 𝜕𝛽ℎ 𝛼𝛽
−1
2𝜕𝛼ℎ 𝛽
𝛽= 0 → 𝑅𝛼𝛽 = 0, □ℎ𝛼𝛽 = 0
Teoria delle onde gravitazionali
A. Gnecchi – ITP @ CERN 26
• Transverse traceless gauge
ℎ 𝑖𝑖 = 0 , ℎ0𝜇 = 0, 𝜕𝑗ℎ𝑖𝑗 = 0,
• In 4 dimensioni questo lascia 2 gradi di libertà indipendenti, 2 polarizzazioni (come per una particella a massa nulla, il gravitone).
• La soluzione dell’equazione delle onde □ℎ𝛼𝛽 = 0 più generale è
ℎ𝛼𝛽 = 𝑎𝛼𝛽𝑒(𝑖 𝑘∙𝑥)
• L’onda si propaga alla velocità della luce: 𝜂𝛼𝛽𝑘𝛼𝑘𝛽 = 0
• 𝑎𝛼𝛽 descrive le polarizzazioni della luce (dopo aver imposto i constraints della scelta di gauge)
Image by
P.Sutton
Teoria delle onde gravitazionali
A. Gnecchi – ITP @ CERN 27
• per esempio, un’onda piana a frequenza definita 𝜔 ha vettore d’onda 𝑘𝛼 =(𝜔, 0,0, 𝜔) (si propaga lungo z)
• La metrica è
ℎ𝛼𝛽 =
0 00 ℎ+
0 0ℎ× 0
0 ℎ×0 0
−ℎ+ 00 1
Image by
P.Sutton
Teoria delle onde gravitazionali
A. Gnecchi – ITP @ CERN 28
• L’elemento di linea è
𝑑𝑠2 = − 𝑑𝑡2 + 1 + ℎ+ 𝑑𝑥2 + 1 − ℎ+ 𝑑𝑦2 + 2ℎ× 𝑑𝑥 𝑑𝑦 + 𝑑𝑧2
• La metrica è dipendente dal tempo
• La distanza tra due corpi in questa metrica è dipendente dal tempo!
• Passaggio di un’onda gravitazionale modifica (temporaneamente) le distanze
tra due masse
• È il principio alla base dell’interferometria per la rivelazione delle onde
gravitazionali
Image by
P.Sutton
Teoria delle onde gravitazionali
A. Gnecchi – ITP @ CERN 29
• Primordiali
• In genere sistemi binari
• Perchè i buchi neri?
La radiazione di quadrupolo è abbastanza forte per essere rilevata
dall’interferomentro per sistemi di buco nero
ℎ𝑖𝑗~1
2𝑟
𝑑2
𝑑𝑡2𝐼𝑖𝑗 𝜌, 𝑡 − 𝑟
Image by
P.Sutton
Onde gravitazionali – rivelazione indiretta
A. Gnecchi – ITP @ CERN 30
Sistemi binari di stelle con perdita di energia per irraggiamento di onde
gravitazionali
[ArXiv:astro/ph/0407149
Weisberg-Taylor]
• prima osservazione PSR B1913+16 ,
Hulse&Taylor, 1974
• sistema binario di pulsar e stella di
neutroni con periodo di rivoluzione di
sole otto ore
• Nobel Prize 1993
Teoria delle onde gravitazionali
A. Gnecchi – ITP @ CERN 31
• Radiazione di quadrupolo (della distribuzione di materia): il primo contributo
non nullo di un campo tensoriale di spin 2
• Analogo irraggiamento di onde come in elettromagnetismo, ma il contributo
principale non è di dipolo
• Metrica come un campo fondamentale • spin ½ : elettroni, muoni, quarks.. (materia)
• spin 1: fotoni (mediatori delle interazioni)
• spin 0: Higgs!
• spin 2: gravitone, la particella che corrisponde alla metrica
• spin 3/2?, superpartners?....... aspettiamo nuova fisica da LHC!
• La teoria quantistica non è rinormalizzabile! [Goroff,Sagnotti, 1985]
siamo in approssimazione semiclassica, non ci curiamo delle singolarità
finché il fenomeno ha energia
𝐸 ≪ 𝑚𝑃𝑙 =ℏ 𝑐
𝐺≈ 1019𝐺𝑒𝑉 (cfr. LHC ≈ 10 𝑇𝑒𝑉 → 1015 ordini di grand.)
LIGO & Virgo
Scientific Collaborations
Gravitational waves detection
A. Gnecchi – ITP @ CERN 32
ArXiv:1602.03837
PRL 116, 061102 (2016)
“On September 14, 2015 at 09:50:45 UTC the two
detectors of the Laser Interferometer Gravitational-
Wave Observatory simultaneously observed a
transient gravitational-wave signal.”
Osservazione di GW
A. Gnecchi – ITP @ CERN 33
LIGO & Virgo
Scientific Collaborations(~1200+320 members)
ArXiv:1602.03837
Observation of Gravitational Waves from
a Binary Black Hole Merger
PRL 116, 061102 (2016)
Osservazione di GW
A. Gnecchi – ITP @ CERN 34
Black hole mergers
• GW150914:
36 e 29 masse solari
• GW151226:
14 e 7.5 masse solari
• GW170104
31 e 19 masse solari
• GW170814
30 e 25 masse solari
Rivelatori sensibili
alle frequenze intorno a
~100Hz
Interferometri per onde gravitazionali
A. Gnecchi – ITP @ CERN 35
Hanford Interferometer
Image by LIGO collaboration
• Laser Interferometer
Gravitational-Wave
Observatory (LIGO)
• LIGO Hanford,
Washington
• LIGO Livingston,
Louisiana
http://www.ligo.org/
• Virgo interferometer
• Cascina (Pisa)
http://www.virgo-gw.eu/
A. Gnecchi – ITP @ CERN 36
Image by Virgo collaboration
• Laser Interferometer
Gravitational-Wave
Observatory (LIGO)
• LIGO Hanford,
Washington
• LIGO Livingston,
Louisiana
http://www.ligo.org/
• Virgo interferometer
• Cascina (Pisa)
http://www.virgo-gw.eu/
Interferometri per onde gravitazionali
Interferometri per onde gravitazionali
A. Gnecchi – ITP @ CERN 37
Image by LIGO&Virgo Collaborations
arxiv:1602.03837
Conclusioni
• I buchi neri offrono un laboratorio sulla relatività generale e possibili deviazioni a scale mai testate prima
• Sebbene siano stati predetti già nel 1916, non si ha avuta osservazione diretta fino ai tempi più recenti
• Almeno 4 eventi di merging di buchi neri sono stati osservati negli scorsi due anni dalla collaborazione LIGO&Virgo
• La rilevazione diretta di onde gravitazionali ha aperto una nuova era di esplorazione astrofisica
• Rimangono problemi concettuali quali l’information paradox e la spiegazione della termodinamica del buco nero a cui non si ha risposta definitiva ancora
38A. Gnecchi – ITP @ CERN
What next?
• Upgrade dei sistemi di rilevazione per ottenere maggiore
sensitività e precisione nel posizionamento
• Coordinazione delle osservazioni con sistemi di rilevazione
di onde elettromagnetiche
• Esplorazione delle caratteristiche di questi BH – si può
vedere l’orizzonte?
• Campi quantistici vicino all’orizzonte
• ...Cos’è la gravità quantistica?
39A. Gnecchi – ITP @ CERN
Grazie dell’attenzione!
..e buon divertimento al CERN!
Grazie dell’attenzione!