B8284 - GRAVITATIONAL WAVE PHYSICS

Conoscenze e abilità da conseguire

At the end of the course, the students will have a comprehensive understanding of the experimental and phenomenological aspects ofGravitationalWave Physics. They will acquire knowledge about the design and operation of experimental detectors. Specifically, the student will develop proficiency in analyzinggravitationalwave data, mastering both classical detection techniques and emerging approaches based on innovative solutions, including machine learning.

Contenuti

Introduzione alle Onde Gravitazionali (6 ore)

• Le equazioni di Einstein in regime di campo debole e la conseguente equazione d’onda;
• La metrica di un’onda gravitazionale nel gauge di traccia trasversa (TT);
• L’espressione del campo lontano in termini del momento quadrupolare;
• L’effetto delle onde gravitazionali sulla materia e il confronto con le onde elettromagnetiche;
• L’evidenza indiretta della loro esistenza attraverso il sistema binario di Hulse-Taylor.

Sorgenti Astrofisiche di Onde Gravitazionali (12 ore)

• Sistemi binari compatti costituiti da buchi neri e stelle di neutroni;
• Supernovae e collassi gravitazionali del nucleo stellare;
• Il fondo cosmico di onde gravitazionali di origine primordiale;
• Onde continue emesse da stelle di neutroni rotanti asimmetriche;
• Sorgenti esotiche.

Generazione delle forme d’onda del segnale Gravitazionale (6 ore)

• Simulazioni in relatività numerica di fusioni di oggetti compatti;
• Approssimazioni post-newtoniane in regime di campo debole;
• Teoria delle perturbazioni e descrizione dei ringdown di buchi neri;
  

Rivelazione delle Onde Gravitazionali (12 ore)

• Principi fondamentali della rivelazione interferometrica;
• Descrizione dei rivelatori a terra come LIGO, Virgo e KAGRA;
• Panoramica dei futuri progetti quali Einstein Telescope;
  
• Le principali sorgenti di rumore e le sfide tecniche nella rivelazione;
• Calibrazione, curve di sensibilità e limiti strumentali;

Analisi dei Processi Stocastici e Strategie di Analisi Dati (16 ore)

• Studio e analisi di serie temporali dominate dal rumore;
• Tecniche avanzate di analisi del segnale;
• Inferenza bayesiana e approcci probabilistici;
• Applicazioni del machine learning nell’identificazione e classificazione dei segnali.
• Laboratorio per analisi dati di segnali e caratterizzazione del rumore

Risultati Astrofisici e Implicazioni Scientifiche (8 ore)

• Osservazioni di fusioni di buchi neri binari;
• Eventi di fusione tra stelle di neutroni ;
• Ruolo dell’astronomia multi-messaggera nel contesto gravitazionale.
• Contributi allo studio dell’equazione di stato della materia nucleare densa;
• Test sperimentali della relatività generale in regime di campo forte;
• Applicazioni cosmologiche, come la misura indipendente della costante di Hubble.

Testi/Bibliografia

Misner, Thorne, Wheeler, Gravitation, W.H. Freeman & Co, 1973.

Fundamentals of Interferometric Gravitational Wave Detectors, Peter R Saulson (Syracuse University, USA)April 2017

Metodi didattici

Il corso si svolge tramite lezioni frontali in aula. Oltre alla parte teorica, sono previsti esercizi pratici per prepararsi alla verifica finale, nonché esercizi di programmazione e analisi di dati reali.
La frequenza è vivamente consigliata in quanto facilita l’apprendimento dei concetti e delle nozioni, anche se non incide direttamente sulla valutazione finale.

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

La prova finale consiste in un seminario su un progetto di analisi dati assegnato.

Strumenti a supporto della didattica

Sulla repository virtuale.unibo.it sono riportati gli esercizi proposti a lezione. 

Studenti/sse con DSA o disabilità temporanee o permanenti:

si raccomanda di contattare per tempo l’ufficio di Ateneo responsabile ( https://site.unibo.it/studenti-con-disabilita-e-dsa/it): sarà sua cura proporre agli/lle studenti/sse interessati/e eventuali adattamenti, che dovranno comunque essere sottoposti, con un anticipo di 15 giorni, all’approvazione del/della docente, che ne valuterà l'opportunità anche in relazione agli obiettivi formativi dell'insegnamento.

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Elena Cuoco