La ubicación del giroscopio láser de anillo GINGERino en los laboratorios subterráneos de la INFN en Gran Sasso, Italia. Crédito:Belfi et al.
Investigadores en Italia esperan medir la rotación de la Tierra utilizando un giroscopio basado en láser ubicado en las profundidades del subsuelo. con suficiente precisión experimental para revelar efectos medibles de la teoría general de la relatividad de Einstein. La tecnología de giroscopio láser de anillo (RLG) que permite estas mediciones terrestres proporciona, a diferencia de los hechos haciendo referencia a objetos celestes, información de rotación inercial, revelando fluctuaciones en la tasa de rotación desde el marco de referencia conectado a tierra.
Un grupo del Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) del Instituto Nacional Italiano de Física Nuclear (INFN) está trabajando con un programa de investigación destinado a medir la precesión giroscópica que sufre la Tierra debido a un efecto relativista llamado efecto Lense-Thirring. Este programa, llamados giroscopios en relatividad general (GINGER), eventualmente usaría una matriz de tales RLGS altamente sensibles. Por ahora, han demostrado con éxito su prototipo, GINGERino, y adquirió una serie de mediciones sísmicas adicionales necesarias en sus esfuerzos.
En el diario de esta semana Revisión de instrumentos científicos , el grupo informa sobre la instalación exitosa del instrumento GINGERino de un solo eje dentro del laboratorio subterráneo LNGS del INFN, y su capacidad para detectar el movimiento de rotación del suelo local.
Por último, GINGER tiene como objetivo medir el vector de velocidad de rotación de la Tierra con una precisión relativa de mejor que una parte por mil millones para ver los minúsculos efectos de sed de lentes.
"Este efecto es detectable como una pequeña diferencia entre el valor de la tasa de rotación de la Tierra medido por un observatorio terrestre, y el valor medido en un marco de referencia inercial, "dijo Jacopo Belfi, autor principal e investigador que trabaja para la sección de Pisa de INFN. "Esta pequeña diferencia es generada por la masa y el momento angular de la Tierra y ha sido prevista por la teoría general de la relatividad de Einstein. Desde el punto de vista experimental, es necesario medir el vector de la tasa de rotación de la Tierra con una precisión relativa mejor que una parte por mil millones, correspondiente a una resolución de velocidad de rotación absoluta de 10-14 [radianes por segundo] ".
El giroscopio láser de anillo GINGERino, que es una cavidad cuadrada con una longitud lateral de 3,6 metros. Crédito:Belfi et al.
La ubicación subterránea de estos sistemas es esencial para alejarse lo suficiente de las perturbaciones externas de la hidrología. cambios de temperatura o presión barométrica para realizar este tipo de medidas sensibles.
Se espera que este prototipo piloto revele información única sobre geofísica, pero, según Belfi, "instalaciones subterráneas de grandes RLG, libre de perturbaciones superficiales, también puede proporcionar información útil sobre geodesia, la rama de la ciencia que se ocupa de la forma y el área de la Tierra ".
El objetivo final de GINGERino es lograr una precisión relativa de al menos una parte por mil millones, en unas pocas horas, para integrarse con la información menos precisa de la rotación cambiante de la Tierra proporcionada por los datos del sistema de posicionamiento global y las mediciones astronómicas del Sistema Internacional de Rotación de la Tierra.
"Los RLG son esencialmente interferómetros ópticos activos en configuración de anillo, ", Dijo Belfi." Nuestros interferómetros están hechos típicamente de tres o cuatro espejos que forman un circuito cerrado para dos rayos ópticos que se propagan a lo largo del circuito. Debido al efecto Sagnac, un interferómetro de anillo es un detector de velocidad angular extremadamente preciso. Es esencialmente un giroscopio ".
El enfoque del grupo permitió la primera instalación subterránea profunda de un RLG ultrasensible de marco grande capaz de medir la tasa de rotación de la Tierra con una resolución máxima de 30 picorads / segundo.
Descarga por radiofrecuencia del láser de anillo GINGERino. Se genera un plasma de helio-neón en el medio de un lado del anillo a través de un capilar de pyrex. Crédito:Belfi et al.
"Una peculiaridad de la instalación de GINGERino es que está ubicada intencionalmente dentro de un área de alta sismicidad del centro de Italia, ", Dijo Belfi." A diferencia de otras grandes instalaciones de RLG, GINGERino realmente puede explorar las rotaciones sísmicas inducidas por terremotos cercanos ".
Uno de los mayores desafíos durante la instalación de GINGERino fue controlar la humedad relativa natural, que estaba por encima del 90 por ciento.
"Con este nivel de humedad, el funcionamiento a largo plazo de la electrónica de GINGERino no sería viable, ", Dijo Belfi." Así que para maniobrar alrededor de este problema, encerramos el RLG dentro de una cámara de aislamiento y aumentamos la temperatura interna de la cámara mediante un conjunto de lámparas infrarrojas alimentadas con un voltaje constante ".
Al hacerlo, el grupo pudo reducir la humedad relativa al 60 por ciento. "No degradó significativamente la estabilidad térmica natural de la ubicación subterránea, lo que nos permite mantener la longitud de la cavidad de GINGERino estable dentro de una longitud de onda láser (633 nanómetros) durante varios días, " él dijo.
GINGERino ya está en funcionamiento, junto con el equipo sísmico proporcionado por el Instituto Italiano de Geofísica y Vulcanología, como un observatorio sísmico rotacional.
"GINGERino y un sismómetro de banda ancha coubicado permiten recuperar, a través de una sola estación, información sobre la velocidad de fase de la onda sísmica de superficie que en la sismología estándar requiere el uso de grandes conjuntos de sismómetros, "dijo Belfi.
