Атмосферные инфразвуковые шумы помешают точно измерить напряженность гравитационного поля

Физики из Италии и Франции рассмотрели, насколько сильно колебания напряженности гравитационного поля из-за атмосферных шумов будут сказываться на измерениях сверхточных гравиметров, которые можно использовать для обнаружения гравитационных волн с частотами менее одного герца и отслеживания землетрясений. Оказалось, что такие шумы могут превысить погрешность гравиметров, а избавиться от них, помещая гравиметры под землю, не удастся. Статья опубликована в Physical Review D, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.

Гравиметры — это приборы, которые измеряют напряженность гравитационного поля, то есть ускорение свободного падения g. Простейший гравиметр представляет собой обычный физический маятник и полагается на тот факт, что период колебаний такого маятника обратно пропорционален корню из g, однако существуют и более сложные конструкции, позволяющие получить более точные результаты. Как правило, гравиметры используют для поиска полезных ископаемых — над плотными ископаемыми (например, залежами железной руды) показания гравиметров выше, так как над тяжёлыми объектами сила тяжести возрастает. Однако сверхточные гравиметры теоретически могут иметь и более интересные приложения — например, с их помощью можно отслеживать гравитационные или сейсмические волны. К сожалению, из-за низкой интенсивности таких волн точность измерений напряженности гравитационного поля должна быть очень высока, и на них начинают сказываться тонкие эффекты и неустранимые шумы.

Наиболее существенным источником шума является дрожание земли (ground acceleration noise), которое возникает, например, когда рядом с закрепленным гравиметром проезжает тяжелый грузовик. Впрочем, от таких шумов можно избавиться, если поставить рядом два гравиметра с разными массами, одновременно считывать и вычитать их показания, чтобы отслеживать быстро нарастающие и затухающие скоррелированные отклонения от среднего значения. К сожалению, существуют и неустранимые шумы, которые нельзя «почувствовать» с помощью схемы с двумя гравиметрами. Например, к таким шумам относятся ньютоновы шумы (Newtonian noise, NN), которые возникают из-за колебаний плотности вещества в окрестности экспериментальной установки. В частности, подобные колебания могут возникнуть из-за непредсказуемой деформации пород при прохождении сейсмической волны или в результате колебаний плотности атмосферы (то есть распространения звуковых волн).

В этой статье группа физиков под руководством Федерико Паолетти (Federico Paoletti) исследовала, насколько заметное влияние могут оказывать атмосферные ньютоновы шумы на показания перспективных гравиметров, которые будут использоваться для регистрации гравитационных волн или отслеживания землетрясений. Для этого ученые рассмотрели несколько типов гравиметров и оценили, какой вклад в их показания вносят различные источники атмосферного шума. Неожиданно оказалось, что, несмотря на сравнительно низкую массу атмосферы, в некоторых случаях такие шумы могут превысить чувствительность гравиметров.

Для начала ученые оценили, какой вклад в атмосферные шумы вносят различные источники, рассмотренные по отдельности, — инфразвуковые волны (колебания плотности, которые распространяются с частотой менее 10 герц), температурные колебания, ударные волны и турбулентные завихрения. Оказалось, что инфразвуковые волны влияют на показания гравиметров заметнее всего, и потому в дальнейшем физики изучили их более подробно. Для этого они записали звуковые спектры шума внутри и снаружи зданий обсерватории Advanced Virgo (AdV) и численно смоделировали работу интерферометра. В результате ученые выяснили, что при текущих параметрах прибора его чувствительность не позволяет заметить влияние атмосферного шума.

Однако для перспективного телескопа Эйнштейна, принцип работы которого аналогичен детекторам LIGO/Virgo, это будет не так — длина плеч нового интерферометра будет достигать десяти километров, а его чувствительность почти в сто раз превысит чувствительность AdV, поэтому пренебрегать атмосферными шумами будет нельзя. Впрочем, от этих шумов все еще можно будет избавиться, если построить интерферометр не на поверхности земли, а на глубине около ста метров — в этом случае колебания атмосферы будут происходить слишком далеко, чтобы оказать заметное влияние на результаты измерений.

К сожалению, что детекторы гравитационных на основе интерферометров не могут зафиксировать колебания напряженности с частотой ниже одного герца, поскольку их чувствительность в этой области быстро снижается (подробнее об устройстве детекторов можно прочитать в нашем материале «За волной волна»). Это ограничивает дальность гравитационной астрономии и не позволяет использовать гравитационные детекторы для геофизических нужд (для таких наблюдений требуется регистрировать сигналы с частотами порядка 0,1 герца). Чтобы решить эту проблему, ученые разрабатывают новые конструкции гравитационных детекторов. Одна из таких альтернативных конструкций — TOBA (torsion-bar antenna) — состоит из двух длинных тонких стержней, подвешенных как торсионные маятники в виде креста; при прохождении гравитационной волны угол между стержнями меняется, и по величине изменения можно судить о напряженности гравитационного поля. Такая конструкция позволяет отслеживать волны в диапазоне 0,01 — 1 герц, и ее можно сравнительно легко построить. Поэтому ученые также рассчитали, какое влияние атмосферные шумы окажут на работу TOBA. Оказалось, что в перспективе погрешность этого детектора будет настолько низкой, что избавиться от шумов не выйдет даже при помещении прибора на глубину около одного километра.

Как известно, орбита Луны не является идеально круглой, но представляет собой вытянутый эллипс: в апогее расстояние между спутником и Землей составляет примерно 405 тысяч километров, а в перигее — примерно 362 тысячи. Кроме того, действие лунной гравитации проявляется сильнее на стороне Земли, обращенной к спутнику, и слабее на противоположной стороне (собственно, из-за этого возникают приливы). Из-за этого напряженность гравитационного поля слабо меняется в зависимости от фазы Луны и времени суток. Точности современных гравиметров достаточно, чтобы заметить такие изменения. Более того, с помощью подобных измерений можно проверить, не отклоняется ли движение Луны от траектории, предсказанной Общей теории относительности, и рассчитать ограничения на параметры теорий, которые призваны объединить ОТО и Стандартную модель. Мы писали о таких расчетах в ноябре прошлого года.

Дмитрий Трунин