Går dybt for at måle Jordens rotationseffekter

Forskere i Italien håber at måle Jordens rotation ved hjælp af et laserbaseret gyroskop, der ligger dybt under jorden, med tilstrækkelig eksperimentel præcision til at afsløre målbare effekter af Einsteins generelle relativitetsteori. Ringlasergyroskop (RLG) -teknologien, der muliggør disse jordbaserede målinger, giver i modsætning til dem, der er lavet ved at henvise til himmelske objekter, oplysninger om inertial rotation, afslører udsving i rotationshastigheden fra den jordede referenceramme.

En gruppe fra det italienske nationale institut for nuklear fysik (INFN) Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) arbejder med et forskningsprogram, der har til formål at måle den gyroskopiske presession, som jorden gennemgår på grund af en relativistisk effekt kaldet Lense-Thirring-effekten. Dette program, kaldet Gyroskoper i generel relativitet (GINGER), til sidst ville bruge en række sådanne meget følsomme RLGS. For nu, de har med succes demonstreret sin prototype, GINGERino, og erhvervede et væld af yderligere seismiske målinger, der er nødvendige i deres bestræbelser.

I denne uges journal Gennemgang af videnskabelige instrumenter , gruppen rapporterer deres succesfulde installation af det enkeltakse GINGERino-instrument inde i INFNs underjordiske laboratorium LNGS, og dens evne til at registrere lokal jordrotationsbevægelse.

Ultimativt, GINGER sigter mod at måle Jordens rotationshastighedsvektor med en relativ nøjagtighed på bedre end en del pr. Milliard for at se de minimale Lense-Thirring-effekter.

"Denne effekt kan påvises som en lille forskel mellem Jordens rotationshastighedsværdi målt ved et jordbaseret observatorium, og værdien målt i en inertial referenceramme "sagde Jacopo Belfi, hovedforfatter og en forsker, der arbejder for Pisa -sektionen i INFN. "Denne lille forskel genereres af Jordens masse og vinkelmoment og er blevet forudset af Einsteins generelle relativitetsteori. Fra eksperimentelt synspunkt, man skal måle Jordens rotationshastighedsvektor med en relativ nøjagtighed bedre end en del pr. milliard, svarer til en absolut rotation hastighed opløsning på 10-14 [radianer pr. sekund]. "

Den underjordiske placering af disse systemer er afgørende for at komme langt nok væk fra ydre forstyrrelser fra hydrologi, temperatur- eller barometriske trykændringer for at udføre disse typer følsomme målinger.

Denne pilotprototype forventes at afsløre unikke oplysninger om geofysik, men, ifølge Belfi, "underjordiske installationer af store RLG'er, fri for overfladeforstyrrelser, kan også give nyttig information om geodesi, videnskabens gren, der beskæftiger sig med jordens form og område. "

Det endelige mål for GINGERino er at opnå en relativ præcision på mindst en del pr. inden for et par timer, at integrere med de mindre præcise oplysninger om Jordens skiftende rotation fra globale positioneringssystemdata og de astronomisk baserede målinger af International Earth Rotation System.

"RLG'er er i det væsentlige aktive optiske interferometre i ringkonfiguration, "Belfi sagde." Vores interferometre er typisk lavet af tre eller fire spejle, der danner en lukket sløjfe for to optiske stråler, der tæller forplanter sig langs løkken. På grund af Sagnac -effekten, et ringinterferometer er en ekstremt præcis vinkelhastighedsdetektor. Det er hovedsageligt et gyroskop. "

Gruppens tilgang muliggjorde den første dybe underjordiske installation af en ultrafølsom RLG med stor ramme, der var i stand til at måle Jordens rotationshastighed med en maksimal opløsning på 30 picorader/sekund.

"En særegenhed ved GINGERino -installationen er, at den med vilje er placeret inden for et område med høj seismicitet i det centrale Italien, "Belfi sagde." I modsætning til andre store RLG -installationer, GINGERino kan faktisk udforske de seismiske rotationer forårsaget af nærliggende jordskælv. "

En af de største udfordringer under GINGERinos installation var at kontrollere den naturlige relative luftfugtighed, som var over 90 procent.

"Med dette fugtighedsniveau, langsigtet drift af GINGERinos elektronik ville ikke være levedygtig, "Belfi sagde." Så for at manøvrere rundt om dette problem, vi lukkede RLG inde i et isolationskammer og øgede kammerets indre temperatur via et sæt infrarøde lamper forsynet med en konstant spænding. "

Ved at gøre det, gruppen var i stand til at sænke den relative fugtighed til 60 procent. "Det forringede ikke den naturlige termiske stabilitet i den underjordiske placering væsentligt, som giver os mulighed for at holde GINGERinos hulrumslængde stabil inden for en laserbølgelængde (633 nanometer) i flere dage, " han sagde.

GINGERino fungerer nu, sammen med seismisk udstyr leveret af det italienske institut for geofysik og vulkanologi, som et roterende seismisk observatorium.

"GINGERino og et samlokaliseret bredbånds seismometer gør det muligt at hente, via en enkelt station, oplysninger om den seismiske overfladebølges fasehastighed, der i standard seismologi kræver brug af store arrays af seismometre, "sagde Belfi.