Compact Gravitational Wave Sources · PDF file reazioni nucleari. In senso stretto si...

Click here to load reader

  • date post

    29-Mar-2021
  • Category

    Documents

  • view

    0
  • download

    0

Embed Size (px)

Transcript of Compact Gravitational Wave Sources · PDF file reazioni nucleari. In senso stretto si...

  • Compact Gravitational Wave Sources

    Compact Gravitational Wave Sources

    Francesco Pannarale Supervisor: Prof. V.Ferrari

    Roma, 23 Ottobre 2009

    Francesco Pannarale Roma, 23 Ottobre 2009

  • Compact Gravitational Wave Sources Introduzione

    Oggetti compatti

    Un oggetto compatto è un corpo astrofisico che “nasce” alla “morte” di una stella ordinaria, ossia quando si sono esaurite le reazioni nucleari.

    Escludendo possibilità più esotiche:

    1 buchi neri (BHs)

    2 stelle di neutroni (NSs)

    3 nane bianche (WDs)

    0.1 . 2GM

    Rc2 . 1 vs

    2GM� R�c2

    ' 10−6

    Elevata gravità superficiale ⇒ necessaria la Relatività Generale

    Francesco Pannarale Roma, 23 Ottobre 2009

  • Compact Gravitational Wave Sources Introduzione

    Oggetti compatti

    Un oggetto compatto è un corpo astrofisico che “nasce” alla “morte” di una stella ordinaria, ossia quando si sono esaurite le reazioni nucleari.

    In senso stretto si intendono:

    1 buchi neri (BHs)

    2 stelle di neutroni (NSs)

    3 nane bianche (WDs)

    0.1 . 2GM

    Rc2 . 1 vs

    2GM� R�c2

    ' 10−6

    Elevata gravità superficiale ⇒ necessaria la Relatività Generale

    Francesco Pannarale Roma, 23 Ottobre 2009

  • Compact Gravitational Wave Sources Introduzione

    Oggetti compatti

    Un oggetto compatto è un corpo astrofisico che “nasce” alla “morte” di una stella ordinaria, ossia quando si sono esaurite le reazioni nucleari.

    In senso stretto si intendono:

    1 buchi neri (BHs)

    2 stelle di neutroni (NSs)

    3 nane bianche (WDs)

    0.1 . 2GM

    Rc2 . 1 vs

    2GM� R�c2

    ' 10−6

    Elevata gravità superficiale ⇒ necessaria la Relatività Generale

    Francesco Pannarale Roma, 23 Ottobre 2009

  • Compact Gravitational Wave Sources Introduzione

    Le onde gravitazionali

    “Increspature” (nella curvatura) dello spaziotempo che si propagano alla velocità della luce nello spaziotempo stesso

    Vengono generate ogni volta che un sistema di massa-energia ha un momento di quadrupolo variabile nel tempo

    L’osservazione diretta delle onde gravitazionali è un problema aperto ma si lavora su basi solide:

    verifiche indirette dell’esistenza (una slide di pazienza)

    forte successo sperimentale della teoria di Einstein

    Francesco Pannarale Roma, 23 Ottobre 2009

  • Compact Gravitational Wave Sources Introduzione

    Gli oggetti compatti come sorgenti

    Luminosità di un’onda gravitazionale:

    dE

    dt ∼ G

    c5 M2R4ν6 fattore ∼ 10−53

    Introducendo la velocità interna caratteristica (v ∼ νR)

    dE

    dt ∼ c

    5

    G

    ( 2GM

    Rc2

    )2 (v c

    )6 fattore ∼ 1053

    ⇒ L’emissione è rilevante se la sorgente è un oggetto compatto (2GM

    Rc2 ∼ 1)

    ha delle velocità interne (coerenti) relativistiche (v ∼ c).

    Francesco Pannarale Roma, 23 Ottobre 2009

  • Compact Gravitational Wave Sources Introduzione

    Un oggetto compatto molto famoso: PSR 1913+16

    Prova indiretta dell’esistenza delle onde gravitazionali!

    Stella di neutroni doppia

    mp = 1.44 M� P = 59 ms

    mc = 1.39 M�

    Periodo orbitale 7.75 h

    Pulsar timing: l’orbita si riduce di 3.1 mm/orbita

    Francesco Pannarale Roma, 23 Ottobre 2009

  • Compact Gravitational Wave Sources Introduzione

    Un oggetto compatto molto famoso: PSR 1913+16

    Prova indiretta dell’esistenza delle onde gravitazionali!

    Stella di neutroni doppia

    mp = 1.44 M� P = 59 ms

    mc = 1.39 M�

    Periodo orbitale 7.75 h

    Pulsar timing: l’orbita si riduce di 3.1 mm/orbita

    Francesco Pannarale Roma, 23 Ottobre 2009

  • Compact Gravitational Wave Sources Coalescenza di binarie compatte

    Coalescenza di binarie compatte

    Fra le molte possibili sorgenti considereremo la coalescenza di binarie compatte BH-NS (anche dette miste)

    1 Le binarie compatte sono ottime sorgenti di onde gravitazionali per i rivelatori interferometrici terrestri

    2 Una NS (densità ρ ∼ 1015 g/cm3) può essere frantumata solo da un’altra NS o da un BH: interessante prospettiva di poter osservare distorsioni e distruzioni mareali di NS, il che può dirci molto sulla loro struttura interna

    3 Binarie BH-NS ed NS-NS sono anche i principali candidati come progenitori degli short gamma-ray burst

    Francesco Pannarale Roma, 23 Ottobre 2009

  • Compact Gravitational Wave Sources Coalescenza di binarie compatte

    Coalescenza di binarie compatte

    Fra le molte possibili sorgenti considereremo la coalescenza di binarie compatte BH-NS (anche dette miste)

    1 Le binarie compatte sono ottime sorgenti di onde gravitazionali per i rivelatori interferometrici terrestri

    2 Una NS (densità ρ ∼ 1015 g/cm3) può essere frantumata solo da un’altra NS o da un BH: interessante prospettiva di poter osservare distorsioni e distruzioni mareali di NS, il che può dirci molto sulla loro struttura interna

    3 Binarie BH-NS ed NS-NS sono anche i principali candidati come progenitori degli short gamma-ray burst

    Francesco Pannarale Roma, 23 Ottobre 2009

  • Compact Gravitational Wave Sources Coalescenza di binarie compatte

    Coalescenza di binarie compatte

    Fra le molte possibili sorgenti considereremo la coalescenza di binarie compatte BH-NS (anche dette miste)

    1 Le binarie compatte sono ottime sorgenti di onde gravitazionali per i rivelatori interferometrici terrestri

    2 Una NS (densità ρ ∼ 1015 g/cm3) può essere frantumata solo da un’altra NS o da un BH: interessante prospettiva di poter osservare distorsioni e distruzioni mareali di NS, il che può dirci molto sulla loro struttura interna

    3 Binarie BH-NS ed NS-NS sono anche i principali candidati come progenitori degli short gamma-ray burst

    Francesco Pannarale Roma, 23 Ottobre 2009

  • Compact Gravitational Wave Sources Coalescenza di binarie compatte

    Coalescenza di binarie compatte

    Fra le molte possibili sorgenti considereremo la coalescenza di binarie compatte BH-NS (anche dette miste)

    1 Le binarie compatte sono ottime sorgenti di onde gravitazionali per i rivelatori interferometrici terrestri

    2 Una NS (densità ρ ∼ 1015 g/cm3) può essere frantumata solo da un’altra NS o da un BH: interessante prospettiva di poter osservare distorsioni e distruzioni mareali di NS, il che può dirci molto sulla loro struttura interna

    3 Binarie BH-NS ed NS-NS sono anche i principali candidati come progenitori degli short gamma-ray burst

    Francesco Pannarale Roma, 23 Ottobre 2009

  • Compact Gravitational Wave Sources Coalescenza di binarie compatte

    Coalescenza di binarie compatte

    Inspiral: espansioni in serie di v/c

    Merger: relatività numerica

    Ringdown: teoria delle perturbazioni

    Caso BH-BH: svolta fondamentale nel 2005

    Caso NS-NS: 20 anni di storia; spiraleggiamenti di lunga durata e inclusione di molti ingredienti fisici

    Caso BH-NS: 10 anni di storia; ∼ 3 orbite e ancora pochi ingredienti fisici

    Francesco Pannarale Roma, 23 Ottobre 2009

  • Compact Gravitational Wave Sources Coalescenza di binarie compatte

    Coalescenza di binarie compatte

    Inspiral: espansioni in serie di v/c

    Merger: relatività numerica

    Ringdown: teoria delle perturbazioni

    Caso BH-BH: svolta fondamentale nel 2005

    Caso NS-NS: 20 anni di storia; spiraleggiamenti di lunga durata e inclusione di molti ingredienti fisici

    Caso BH-NS: 10 anni di storia; ∼ 3 orbite e ancora pochi ingredienti fisici

    Francesco Pannarale Roma, 23 Ottobre 2009

  • Compact Gravitational Wave Sources Coalescenza di binarie compatte

    Coalescenza di binarie BH-NS

    Non-linearità, regime di gravità forte, vasto spazio dei parmetri:

    Rapporto di massa

    Spin

    Equazione di stato (EOS) della NS

    Al momento lo spazio dei parametri è poco esplorato:

    Asimmetria BH/NS al contrario delle binarie BH-BH e NS-NS

    Difficoltà legate al variare MNS/MBH

    Necessità di 1200÷ 3200 CPU ore/orbita

    ⇒ È utile introdurre delle approssimazioni e pertanto ridurre notevolmente il costo in termini di risorse computazionali.

    Francesco Pannarale Roma, 23 Ottobre 2009

  • Compact Gravitational Wave Sources Il modello

    Il modello

    Ferrari, Gualtieri, Pannarale, CQG 26, 125004 (2009)

    Il BH non viene influenzato dalla NS

    La NS descrive le geodetiche circolari equatoriali attorno al BH

    La NS è un ellissoide di massa costante soggetto alla propria auto-gravità, alla pressione interna e al campo mareale del BH

    Si introducono delle semplificazioni, tuttavia

    V Campo mareale relativistico del BH V Auto-gravità NS relativistica V Vasta scelta del rapporto di massa V Spin del BH V EOS nucleare

    Rosso = miglioramenti introdotti

    Francesco Pannarale Roma, 23 Ottobre 2009

  • Compact Gravitational Wave Sources Il modello

    Il modello

    Per l’autogravità si costruisce un potenziale scalare a partire dalle equazioni di struttura stellare relativistiche