Onderzoekers in Italië hopen de rotatie van de aarde te meten met behulp van een lasergebaseerde gyroscoop die diep onder de grond is gehuisvest. met voldoende experimentele precisie om meetbare effecten van Einsteins algemene relativiteitstheorie te onthullen. De ringlasergyroscoop (RLG)-technologie die deze metingen op aarde mogelijk maakt, biedt, in tegenstelling tot die gemaakt door te verwijzen naar hemellichamen, informatie over traagheidsrotatie, het onthullen van fluctuaties in de rotatiesnelheid van het geaarde referentieframe.

Een groep van het Italiaanse Nationale Instituut voor Kernfysica (INFN) Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) werkt met een onderzoeksprogramma gericht op het meten van de gyroscopische precessie die de aarde ondergaat als gevolg van een relativistisch effect dat het Lense-Thirring-effect wordt genoemd. Dit programma, gyroscopen genoemd in de algemene relativiteitstheorie (GINGER), zou uiteindelijk een reeks van dergelijke zeer gevoelige RLGS gebruiken. Voor nu, ze hebben met succes zijn prototype gedemonstreerd, GINGERino, en verwierven een groot aantal aanvullende seismische metingen die nodig waren voor hun inspanningen.

In het journaal van deze week Beoordeling van wetenschappelijke instrumenten , de groep meldt hun succesvolle installatie van het enkelassige GINGERino-instrument in het ondergrondse laboratorium LNGS van de INFN, en het vermogen om lokale grondrotatiebewegingen te detecteren.

uiteindelijk, GINGER wil de vector van de rotatiesnelheid van de aarde meten met een relatieve nauwkeurigheid van beter dan één deel per miljard om de minuscule Lense-Thirring-effecten te zien.

"Dit effect is detecteerbaar als een klein verschil tussen de waarde van de rotatiesnelheid van de aarde gemeten door een observatorium op de grond, en de waarde gemeten in een traagheidsreferentieframe, " zei Jacopo Belfi, hoofdauteur en een onderzoeker die werkt voor de afdeling Pisa van INFN. "Dit kleine verschil wordt gegenereerd door de massa en het impulsmoment van de aarde en is voorzien door de algemene relativiteitstheorie van Einstein. Vanuit experimenteel oogpunt, men moet de vector van de rotatiesnelheid van de aarde meten met een relatieve nauwkeurigheid die beter is dan één deel per miljard, wat overeenkomt met een absolute resolutie van de rotatiesnelheid van 10-14 [radialen per seconde]."

De ondergrondse plaatsing van deze systemen is essentieel om ver genoeg verwijderd te zijn van externe verstoringen van hydrologie, temperatuur- of luchtdrukveranderingen om dit soort gevoelige metingen uit te voeren.

Dit proefprototype zal naar verwachting unieke informatie over geofysica onthullen, maar, volgens Belfi, "ondergrondse installaties van grote RLG's, vrij van oppervlakteverstoringen, kan ook nuttige informatie opleveren over geodesie, de tak van de wetenschap die zich bezighoudt met de vorm en het gebied van de aarde."

Het uiteindelijke doel van GINGERino is het bereiken van een relatieve precisie van ten minste één deel per miljard, binnen enkele uren, om te integreren met de minder nauwkeurige informatie over de veranderende rotatie van de aarde die wordt geleverd door gegevens van het wereldwijde positioneringssysteem en de astronomisch gebaseerde metingen van het International Earth Rotation System.

"RLG's zijn in wezen actieve optische interferometers in ringconfiguratie, " zei Belfi. "Onze interferometers zijn meestal gemaakt van drie of vier spiegels die een gesloten lus vormen voor twee optische stralen die zich tegen elkaar voortplanten langs de lus. Door het Sagnac-effect, een ringinterferometer is een uiterst nauwkeurige hoeksnelheidsdetector. Het is in wezen een gyroscoop."

De aanpak van de groep maakte de eerste diepe ondergrondse installatie mogelijk van een ultragevoelige grootbeeld RLG die de rotatiesnelheid van de aarde kan meten met een maximale resolutie van 30 picorads/seconde.

"Een bijzonderheid van de GINGERino-installatie is dat deze opzettelijk is geplaatst in een gebied met hoge seismische activiteit in Midden-Italië, " zei Belfi. "In tegenstelling tot andere grote RLG-installaties, GINGERino kan de seismische rotaties onderzoeken die worden veroorzaakt door nabije aardbevingen."

Een van de grootste uitdagingen tijdens de installatie van GINGERino was het beheersen van de natuurlijke relatieve vochtigheid, die boven de 90 procent lag.

"Met deze vochtigheidsgraad, langdurige werking van GINGERino's elektronica zou niet levensvatbaar zijn, "Zei Belfi. "Dus om dit probleem te omzeilen, we hebben de RLG in een isolatiekamer ingesloten en de interne temperatuur van de kamer verhoogd via een set infraroodlampen die van een constante spanning worden voorzien."

Door het zo te doen, de groep kon de relatieve luchtvochtigheid terugbrengen tot 60 procent. "Het heeft de natuurlijke thermische stabiliteit van de ondergrondse locatie niet significant aangetast, waardoor we de lengte van de holte van GINGERino enkele dagen stabiel kunnen houden tot binnen één lasergolflengte (633 nanometer), " hij zei.

GINGERino is nu actief, samen met seismische apparatuur geleverd door het Italiaanse Instituut voor Geofysica en Vulkanologie, als een roterende seismische observatorium.

"GINGERino en één co-located breedband seismometer maken het mogelijk om via een enkel station, informatie over de fasesnelheid van de seismische oppervlaktegolf die in de standaard seismologie het gebruik van grote reeksen seismometers vereist, ' zei Belfi.