Onde gravitazionali - Prof. Giancarlo Schena

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•GUIDA ALLA CONSULTAZIONE
•CHE COSA SONO LE ONDE GRAVITAZIONALI
•PRINCIPALI SORGENTI DI ONDE GRAVITAZIONALI
•INTRODUZIONE SUI RIVELATORI
•ANTENNE PRINCIPALI
•ALTRE ANTENNE
•NAUTILUS
•BIBLIOGRAFIA
•AUTORI
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Le ONDE GRAVITAZIONALI sono
cambiamenti nella distribuzione della
materia e che si propagano alla
velocità della luce.
INTRODUZIONE STORICA
CHE COSA SONO
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INTRODUZIONE STORICA
L’ESISTENZA DELLE ONDE GRAVITAZIONALI E’ UNA DELLE PREDIZIONI PIU’
INTERESSANTI DELLA RELATIVITA’ GENERALE, LA TEORIA RELATIVISTICA
DELLA GRAVITA’ FORMULATA DA EINSTEIN, ANCHE SE IL PROGRESSO NEL
CAMPO DELLE INTERAZIONI GRAVITAZIONALI E’ STATA ENORMEMENTE LENTO,
DATO CHE LE MOLTEPLICI VERIFICHE DELLA VALIDITA’ DELLA TEORIA DI
NEWTON PRIMA E DI EINSTEIN DOPO, SI LIMITANO ESSENZIALMENTE ALLO
STUDIO DI CAMPI GRAVITAZIONALI STATICI. SECONDO LA TEORIA QUESTE
ONDE HANNO ORIGINE A SEGUITO DI OGNI CAMBIAMENTO NELLA
DISTRIBUZIONE DELLA MATERIA E SI PROPAGANO ALLA VELOCITA’ DELLA LUCE.
IL PRIMO IN ITALIA AD INTUIRE L’IMPORTANZA DI QUESTI STUDI FU EDOARDO
AMALDI, SOSTENENDO INOLTRE CHE QUESTI STUDI FOSSERO DA ACCOSTARE A
QUELLI SULLA FISICA DELLE PARTICELLE EDELLE INTERAZIONI
FONDAMENTALI. AMALDI RIUSCI’ A CONVINCERE SIA L’INFN (ISTITUTO
NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE) A FARSI CARICO DI QUESTO CAMPO DELLA
RICERCA, SIA IL CERN (CENTRO EUROPEO RICERCHE NUCLEARI) AD OSPITARLA.
SI CREARONO COSI’ LE PREMESSE PER LA NASCITA (1984) E LO SVILUPPO DELLE
ATTIVITA’ DEL CIRG ( CENTRO INTERUNIVERSITARIO RICERCHE SULLA
GRAVITAZIONE) A CUI ADERIRONO LE SEGUENTI UNIVERSITA’: UNIVERSITA’ DI
ROMA “LA SAPIENZA”,UNIVERSITA’ DI ROMA “TOR VERGATA”,UNIVERSITA’
DELL’AQUILA,UNIVERSITA’ DI TRENTO. UN INTERESSE NEL PROBLEMA DELLE
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ONDE GRAVITAZIONALI FU SUSCITATO NEL
1961 ALL’ISTITUTO DI FISICA DELL’UNIVERSITA’ DI ROMA DAL PROFESSOR
AMALDI. NEL 1968 IL PROF. WILLIAM M. FARBAINK , DELL’UNIVERSITA’ DI
STANFORD PROPOSE AD AMALDI DI MIGLIORARE GLI ESPERIMENTI DI WEBER SUI
METODI DI MISURA E PRODUZIONE DELLE ONDE GRAVITAZIONALI: QUESTI
CONTATTI RISULTARONO DA UNA COLLABORAZIONE TRA I GRUPPI SI STANFORD
E ROMA PER LA REALIZZAZIONE DI TRE ANTENNE GRAVITAZIONALI COSTITUITE
CIASCUNA DA UN CILINDRO DI 5 TONNELLATE RAFFREDDATE AD UNA
TEMPERATURA ASSOLUTA DI 20 mK ED EQUIPAGGIATO DA TRASDUTTORI BASATI
SULL’IMPIEGO DI AMPLIFICATORI SUPERCONDUTTORI AD EFFETTO JOSEPHSON
[PASSAGGIO “TUNNEL”(FENOMENO QUANTISTICO PER CUI UNA PARTICELLA PUO’
ATTRAVERSARE UNA REGIONE DI ESTENSIONE FINITA E CON UNA BARRIERA DI
ENERGIA POTENZIALE SUPERIORE A QUELLA TOTALE)DI UNA COPPIA DI
ELETTRONI ATTRAVERSO UNA SOTTILE PARETE ISOLANTE FRA DUE MATERIALI
SEMICONDUTTORI]. NEL 1979 FU SIGLATO UN ACCORDO TRA L’UNIVERSITA’ DI
ROMA E IL CERN CON IL QUALE QUEST ULTIMO SI IMPEGNAVA A METTERE A
DISPOSIZIONE, NEI SUOI LABORATORI DI GINEVRA, LO SPAZIO NECESSARIO AD
OSPITARE UNA GRANDE ANTENNA E A FORNIRE LIQUIDI CRIOGENICI. NELLO
STESSO PERIODO INIZIAVA IL PROFICUO RAPPORTO DI COLLABORAZIONE DEI
GRUPPI UNIVERSITARI CON L’INFN, CHE HA DA ALLORA SOSTENUTO
L’ATTIVITA’SPERIMENTALE DI GRAVITAZIONE IN ITALIA.
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CHE COSA SONO
QUESTE ONDE CHE RAPPRESENTANO OSCILLAZIONI NELLA GEOMETRIA
SPAZIO – TEMPO, SI PROPAGANO NEL VUOTO CON LA VELOCITÀ DELLA LUCE, E
TRASMETTONO LE INFORMAZIONI DI COME IL CAMPO GRAVITAZIONALE
VARIA NEL TEMPO. A LIVELLO MICROSCOPICO SONO PRODOTTE DAL MOTO
ACCELLERATO DELLE MASSE, IN MODO SIMILE A COME LE ONDE
ELETTROMAGNETICHE SONO PRODOTTE DAL MOTO ACCELLERATO DELLE
CARICHE. ALL’EMISSIONE DI ONDE GRAVITAZIONALI CONTRIBUISCONO NON
SOLO LE ACCELLERAZIONI, MA ANCHE LE VELOCITA’ E LE VARIAZIONI NEL
TEMPO DELLE ACCELERAZIONI, CHE DEVONO ESSERE DISTRIBUITE IN
MANIERA SUFFICIENTEMENTE “ASIMMETRICA”RISPETTO AL CENTRO DEL
SISTEMA DI MASSE. UN SISTEMA SFERICAMENTE SIMMETRICO, AD
ESEMPIO, CHE COLLASSA RADIALMENTE SOTTO L’EFFETTO DELL’ATTRAZIONE
RECIPROCA DELLE MASSE, NON EMETTE VERSO L’ESTERNO ALCUNA
RADIAZIONE GRAVITAZIONALE. INOLTRE UN’ONDA GRAVITAZIONALE
TRASPORTA UN MOMENTO ANGOLARE SPECIFICO CHE E’ DOPPIO DI QUELLA
DI UN’ONDA ELETTROMAGNETICA DI PARI INTENSITA’, PERCHE’ I QUANTI
DELL’ONDA – I GRAVITONI – HANNO UNO SPIN INTRINSECO PARI A 2 IN
UNITA’ DI PLANCK (ANZICHE’ 1 COME I FOTONI): QUESTA PROPRIETA’ SEGUE
DAL CARATTERE TENSORIALE DELL’ATTRAZIONE GRAVITAZIONALE GRAZIE
AL QUALE DUE MASSE DELLO STESSO SEGNO SI ATTRAGGONO E NON
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RESPINGONO COME AVVIENE NELL’ELETTROMAGNETISMO. IL
CARATTERE ESTREMAMENTE DEBOLE DELLE ONDE GRAVITAZIONALI
SUGGERISCE CHE LE SORGENTI GRAVITAZIONALI MOLTO INTENSE
VADANO RICERCATE TRA GLI OGGETTI NATURALI DI GRANDI
DIMENSIONI COME I CORPI CELESTI. L’UNICA CONFERMA INDIRETTA
DELL’EMISSIONE DI ONDE GRAVITAZIONALI VIENE PROPRIO
DALL’OSSERVAZIONE DI UN SISTEMA DI STELLE BINARIO, STUDI
COMPIUTI DA RUSSEL HULSE E JOSEPH TAYLOR (PREMI NOBEL 1993).
LA SORGENTE PRINCIPALE A LIVELLO COSMICO CHE POSSIAMO
IMMAGINARE E’SENZ’ALTRO L’UNIVERSO STESSO E LE SUE
TRANSIZIONI PRIMORDIALI; IN QUESTO CASO PERO’ L’EMISSIONE
NON E’ PIU’ DIRETTAMENTE ASSOCIABILE AL MOTO DI MASSE
ACCELLERATE, BENSI’ ALL’ACCELLERAZIONE (“INFLAZIONE”) DELLO
SPAZIO – TEMPO STESSO, SECONDO UN MECCANISMO DENOMINATO
“AMPLIFICAZIONE PARAMETRICA DELLE FLUTTUAZIONI DEL VUOTO”
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• STELLA RUOTANTE
• STELLA DOPPIA
• RADIAZIONE DA COLLASSO
GRAVITAZIONALE
• EMISSIONE DI NEUTRINI COME PROCESSO
IN COMPETIZIONE CON L’EMISSIONE DI
ONDE GRAVITAZIONALI
• CADUTA DI UN CORPO IN UN BUCO NERO
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PRINCIPALI SORGENTI DI ONDE GRAVITAZIONALI
LE SORGENTI DI ONDE GRAVITAZIONALI SI POSSONO SUDDIVIDERE IN : SORGENTI
PERIODICHE E SORGENTI NON PERIODICHE . AL PRIMO GRUPPO APPARTENGONO AD
ESEMPIO LE ASTE ROTANTI, LE STELLE DOPPIE, LE STELLE RUOTANTI, ECC MENTRE
APPARTENGONO AL SECONDO GRUPPO LE SUPERNOVE (VEDI IMMAGINE SOPRA) ED, IN
GENERALE OGNI COLLASSO GRAVITAZIONALE DI SISTEMI. IN GENERALE, PERO’,
L’ENERGIA EMESSA DA SORGENTI PERIODICHE E’ MOLTO INFERIORE A QUELLA
EMESSA DA FENOMENI CATASTROFICI, QUINDI E’ PIU’ UTILE STUDIARE FENOMENI
CHE APPARTENGONO ALLA SECONDA CLASSE. IL FATTO CHE L’EMISSIONE DA PARTE
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DI SORGENTI PERIODICHE DURI PER LUNGHI PERIODI DI TEMPO PERMETTE L’USO
DI
RIVELATORI SINTONIZZATI CON LA SORGENTE ENTRO UNA REGIONE DI
RISONANZA ESTREMAMENTE STRETTA, COSI’ CHE IL RUMORE A LARGA BANDA DEL
SISTEMA DI RIVELAZIONE VIENE CORRISPONDEMENTE RIDOTTO. L’INTENSITA’ DI
UN ONDA GRAVITAZIONALE SI CALCOLA ASSUMENDO CHE L’ENERGIA IRRADIATA
SIA EMESSA IN MODO ISOTROPO , CIOE’
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dε
4rY2
dt
W=
DOVE dε/dt E’ LA POTENZA IRRADIATA, ED r RAPPRESENTA LA DISTANZA DELLA
SORGENTE DALLA TERRA. LE ONDE GRAVITAZIONALI SONO EMESSE OGNI QUAL
VOLTA IL TENSORE DI QUADRUPOLO DELLA MASSA DI UN CORPO CAMBIA COL
PASSARE DEL TEMPO O, PIU’ SEMPLICEMENTE QUANDO C’E’ UNA DIVERSA
RIDISTRIBUZIONE DELLA MASSA ALL’INTERNO DEL CORPO E SI PROPAGANO ALLA
VELOCITA’ DELLA LUCE. E’ DIFFICILE RICREARE ONDE GRAVITAZIONALE IN
LABORATORIO E PERCIO’ CI SI DEVE RIVOLGERE AD OGGETTI COSMICI DI GRANDE
MASSA , CAPACI DI EMETTERE ONDE CAPTABILI DA RIVELATORI TERRESTRI.
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STELLA RUOTANTE
UNA STELLA RUOTANTE E’IN GRADO DI GENERARE ONDE GRAVITAZIONALI SE
PRESENTA UNA DEVIAZIONE DALLA SIMMETRIA ASSIALE. IN QUESTO CASO SI
OTTIENE :
- 288 Ge2I2w6
dε =
dt 45 C3
DOVE e INDICA LA DEVIAZIONE DALLA SIMMETRIA ASSIALE. L’INTENSITA’ TEORICA
E’ STATA CALCOLATA IN UN PRIMO MOMENTO DA OSTRIKER E GUNN E
SUCCESSIVAMENTE RIESAMINATA DA FERRARI E RUFFINI: PROSPETTAVA
UN’INTENSITA’ MAGGIORE DI QUELLA FINO AD ALLORA ACCERTATA. UN
ESPERIMENTO PROGETTATO CON LO SCOPO DI RIVELARE QUESTA RADIAZIONE E’
STATO FATTO DA HIRAKAWA, TSUBONO E FUJIMOTO, I QUALI DOPO 420h DI
REGISTRAZIONI HANNO OTTENUTO UN LIMITE SUPERIORE PER IL FLUSSO
D’ENERGIA DELLA RADIAZIONE GRAVITAZIONALE, MOLTO PIU’ ALTO DELLE STIME
TEORICHE: w<14W/m2=14*103 erg/cm2*s
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STELLA DOPPIA
IL 50 % DELLE STELLE FANNO PARTE DEI SISTEMI MULTIPLI ED IL RESTANTE 50
A QUELLI BINARI, COMPOSTI DA UNA STELLA NORMALE E DA UN CORPO
COLLASSATO. UN SISTEMA DI QUESTO TIPO E’STATO SCOPERTO DA HULSE E
TAYLOR NEL 1974, POICHE’ UNA DELLE DUE STELLE E’ UNA PULSAR (PSR 13 + 16).
L’OSSERVAZIONE SISTEMATICA DELLA BINARIA COMPRENDENTE LA PSR 13 + 16
SI E’ ESTESA PER OLTRE QUATTRO ANNI E HA PERMESSO DI STABILIRE CHE :
1.
ENTRAMBE LE STELLE COMPONENTI SONO DI 1,4 ± 10 % MASSE SOLARI;
2.
DESCRIVONO UN’ORBITA FORTEMENTE ECCENTRICA CON SEMIASSE MAGGIORE
PARI A CIRCA UN RAGGIO SOLARE.
3.
LA PRECESSIONE AL PERIASTRO VALE W = 4.226 ± 0.002 GRADI/ANNI, IN OTTIMO
ACCORDO CON LA RELATIVITA’ GENERALE;
4.
QUATTRO ALTRI EFFETTI RELATIVISTICI, I CUI VALORI SONO IN OTTIMO
ACCORDO CON I DATI RICAVABILI DALLA RELATIVITA’ GENERALE, SONO STATI
MISURATI, E QUESTO E’ UNA RIPROVA DELLA BONTA’ DI TALE TEORIA.
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RADIAZIONE DA COLLASSO GRAVITAZIONALE
SE IL COLLASSO DI UNA STELLA AVVENISSE IN MODO SFERICAMENTE SIMMETRICO
NON SI AVREBBE RADIAZIONE GRAVITAZIONALE. MA POICHE’ QUESTO AVVIENE
DURANTE LA ROTAZIONE DI UNA STELLA, ALCUNI IMPULSI GRAVITAZIONALI
POTREBBERO ESSERE EMESSI. SE QUESTO FENOMENO AVVENISSE NELLA NOSTRA
GALASSIA LA DENSITA’ DELLENERGIA CHE OTTENIAMO E’ ALLA PORTATA DELLE
NOSTRE CAPACITA’ TECNOLOGICHE, MA SI PREVEDE CHE EPISODI CON QUESTE
CARATTERISTICHE AVVENGANO UN PAIO DI VOLTE OGNI SECOLO. INDAGANDO PERO’
LE GALASSIE DELL’AMMASSO DELLA VERGINE, CI SI ASPETTANO EVENTI DI QUESTO
TIPO OGNI MESE CON DENSITA’ D’ENERGIA SULLA TERRA PARI A 1 ERG/CM2,
DIVENTANDO COSI’ LA BASE PER LE ATTIVITA’ SPERIMENTALI PRESENTI E FUTURE.
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EMISSIONE DI NEUTRINI COME PROCESSO IN COMPETIZIONE
CON L’EMISSIONE DI ONDE GRAVITAZIONALI
LA COMPETIZIONE TRA QUESTI DUE EVENTI E’ STATA EVIDENZIATA DA KAZANAS E
SCHRAMM NEL CASO DI UNA FORMAZIONE DI UNA STELLA DI NEUTRONI. SECONDO
ALCUNI MODELLI POSSIAMO AFFERMARE CHE GLI ELETTRONI DI UNA STELLA,
POICHE’ HANNO UNA MASSA SUFFICIENTEMENTE GRANDE, PER LE ALTE
TEMPERATURE CENTRALI, VENGONO ASSORBITI DAI PROTONI.
P+E
N+V
DOVE P E’ IL PROTONE, E L’ELETTRONE, N IL NEUTRONE E V IL NEUTRINO. I
NEUTRINI PRODOTTI SFUGGONO E COSI’ PORTANO VIA UNA FRAZIONE
DELL’ENERGIA GRAVITAZIONALE DEL COLLASSO.
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CADUTA DI UN CORPO IN UN BUCO NERO
QUANDO UN CORPO DI MASSA
m CADE VERSO UN CORPO COLLASSATO DI MASSA M,
VIENE PRODOTTA, SOTTO FORMA DI RADIAZIONE GRAVITAZIONALE UNA
QUANTITA’FINITA D’ENERGIA:
Δε = 0.0025 m2c2/M
PER ESEMPIO CONSIDERIAMO UN CORPO DI MASSA m=0.68 S CHE CADE DENTRO UN
BUCO NERO AVENTE PER MASSA M = 1 S, DOVE S E’ LA MASSA SOLARE.LA QUANTITA’
TOTALE DI RADIAZIONE GRAVITAZIONALE, EMESSA IN CIRCA 0.5 m/s, SARA’ 2*1050
ERG. SE QUESTO FENOMENO AVVENISSE A 1000 pc DALLA TERRA, NOI OSSERVEREMO
UN SEGNALE DELLA DURATA DI UN MS DI DENSITA’ ENERGETICA SICURAMENTE
ALLA PORTATA DELLA NOSTRA ATTUALE TECNOLOGIA.
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Un rivelatore è uno strumento che serve a
captare, o a trasmettere, una radiazione. Per
le onde gravitazionali l’iterazione con lo spazio
consiste nel far variare la distanza tra i punti
dello spazio, con frequenza pari a quella
dell’onda stessa .
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COME FUNZIONANO
SCHEMA A BLOCCHI DEL FUNZIONAMENTO DI UN’ANTENNA GRAVITAZIONALE
RISONANTE: L’ONDA GRAVITAZIONALE INCIDENTE DEPOSITA UNA PICCOLA
QUANTITA’ D’ENERGIA SULL’ANTENNA, ECCITANDONE UN MOTO DI VIBRAZIONE.
QUESTA VIBRAZIONE VIENE RILEVATA DA UN TRASDUTTORE CHE LA TRASFORMA IN
UN SEGNALE ELETTRICO, A SUA VOLTA APPLICATO AD UN AMPLIFICATORE A BASSO
RUMORE. PER POTER DISTINGUERE LA VIBRAZIONE INDOTTA DALL’ONDA
GRAVITAZIONALE E’ OPPORTUNO RIDURRE L’AGITAZIONE TERMICA, POSSIBILE SOLO
RIDUCENDO LA TEMPERATURA: SE L’AMPIEZZA DI QUESTE OSCILLAZIONI IN UN
CILINDRO DEL PESO DI 2 TONNELLATE E’ DI 10-16 METRI A TEMPERATURA AMBIENTE,
ESSA SCENDE A 10-18 METRI ALLA TEMPERATURA DI 0,03 K. (- 273.1 °C). IL SEGNALE
AMPLIFICATO VIENE REGISTRATO E FILTRATO MEDIANTE TECNICHE DI RIDUZIONE
DEL RUMORE, PER ESTRARRE SEGNALI CORRISPONDENTI AGLI EVENTI IMPULSIVI (O
PERIODICI) CERCATI.
ANTENNA
AMPLIFICATORE
TRASDUTTORE
FILTRAGGIO
DECISIONE
EVENTI
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FRASCATI
GINEVRA
ALTRE
ANTENNE
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CHE COSA E’
IL RIVELATORE NAUTILUS , IN FUNZIONE PRESSO I LNF (LABORATORI NAZIONALI
DI FRASCATI), CONSISTE IN UN CILINDRO DI ALLUMINIO LUNGO 3 METRI E
PESANTE 2,3 TONNELLATE, RAFFREDDATO AD UNA TEMPERATURA DI 0,1 GRADI AL DI
SOPRA DELLO ZERO ASSOLUTO PER RIDURRE AL MINIMO L’AGITAZIONE TERMICA,
QUESTO E’ UN PRIMATO MONDIALE PER UN’OGGETTO DI TALI DIMENSIONI.
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SOTTO L’EFFETTO DI UN’ ONDA GRAVITAZIONALE L’ANTENNA VIBRA
.TALIMAGNETICO CHE VIENE VIBRAZIONI VENGONO CONVERTITE PRIMA IN UN
SEGNALE ELETTRICO E POI IN UNO MAGNETICO CHE VIENE SUCCESSIVAMENTE
MISURATO DA UN DISPOSITIVO CHIAMATO SQUID (SUPERCONDUCTING QUANTUM
INTERFERENCE DEVICE).USANDO OPPORTUNI ALGORITMI DI ANALISI DATI IL
NAUTILUS RIESCE A RIVELARE VARIAZIONI DI LUNGHEZZA DELL’ANTENNA DI 10-18
METRI, LA PIU’ ALTA RAGGIUNTA FINORA, CHE PERMETTE DI OSSERVARE COLLASSI
DISTANTI FINO A 100000 PARSEC. IL PROBLEMA FONDAMENTALE DELL’ANALISI DEI
DATI FORNITI DA TALI ESPERIMENTI CONSITE NEL RIVELARE PICCOLI SEGNALI IN
PRESENZA DI DISTURBI DI AMPIEZZA MAGGIORE. QUESTI RUMORI SI DIVIDONO IN:
- FENOMENI DESCRIVIBILI MEDIANTE NOTI MODELLI FISICI (ES. MOTO
BROWNIANO) DEGLI ATOMI DELL’ANTENNA E IL RUMORE DI FONDO DEI
DISPOSITIVI ELETTRONICI.
-FENOMENI DI ORIGINE MAL DEFINITA E, QUINDI DI DIFFICILE DESCRIZIONE
MATEMATICA (RUMORE ACUSTICO, SISMICO … ).
L’UNICO MODO DI RIDURRE TALI RUMORI E’ QUELLO DI FAR USO DI PIU’ RIVELATORI
GRAVITAZIONALI POSTI A GRANDE DISTANZA TRA LORO ED EFFETTUARE ANALISI
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DI CORRELAZIONI TRA I DATI FORNITI DALLE DIVERSE ANTENNE. SE AD UNO
STESSO ISTANTE I DATI DI PIU’ RIVELATORI ASSUMONO VALORI SIGNIFICAMENTE
ELEVATI RISPETTO AD ALTRI ISTANTI, SI PUO’ CONCLUDERE DI AVER RIVELATO CON
MOLTA PROBABILITA’ UN SEGNALE DOVUTO AD UNA CAUSA COMUNE CHE AGISCE
SULL’INSIEME DEI RIVELATORI, APPUNTO L’ONDA GRAVITAZIONALE.
ANTENNA
ANTENNA
EVENTI
COINCIDENZE
ANTENNA
CANDIDATI PER
ONDE
GRAVITAZIONALI
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Immagini e documenti tratti da :
- http://digilander.iol.it/gravitazione onde
- http://www.infn.it
- http://www.virgo.infn.it
- http://wwwps.lnf.infn.it/notiziario
- http://www.infn.it/brochure
- Le onde gravitazionali
- Brochure Istituto Nazionale di Fisica Nucleare
- Enciclopedia Rizzoli Larousse 2001
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END
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