Forskare i Italien hoppas kunna mäta jordens rotation med hjälp av ett laserbaserat gyroskop inrymt djupt under jorden, med tillräcklig experimentell precision för att avslöja mätbara effekter av Einsteins allmänna relativitetsteori. Ringlasergyroskop-tekniken (RLG) som möjliggör dessa jordbaserade mätningar ger, till skillnad från de som gjorts genom att referera till himlaobjekt, tröghetsrotationsinformation, avslöjar fluktuationer i rotationshastigheten från den jordade referensramen.

En grupp från det italienska nationella institutet för kärnfysik (INFN) Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) arbetar med ett forskningsprogram som syftar till att mäta den gyroskopiska precession som jorden genomgår på grund av en relativistisk effekt som kallas Lense-Thirring-effekten. Det här programmet, kallas gyroskop i allmän relativitet (INGÄRA), skulle så småningom använda en rad sådana mycket känsliga RLGS. Tills vidare, de har framgångsrikt visat sin prototyp, GINGERino, och förvärvade en mängd ytterligare seismiska mätningar som var nödvändiga i deras ansträngningar.

I veckans journal Granskning av vetenskapliga instrument , gruppen rapporterar sin framgångsrika installation av det enaxliga GINGERino-instrumentet i INFN:s underjordiska laboratorium LNGS, och dess förmåga att upptäcka lokal markrotationsrörelse.

I sista hand, GINGER syftar till att mäta jordens rotationshastighetsvektor med en relativ noggrannhet på bättre än en del per miljard för att se de minimala Lense-Thirring-effekterna.

"Denna effekt kan upptäckas som en liten skillnad mellan jordens rotationshastighet mätt av ett markbaserat observatorium, och värdet uppmätt i en tröghetsreferensram, sa Jacopo Belfi, huvudförfattare och en forskare som arbetar för Pisa-delen av INFN. "Denna lilla skillnad genereras av jordens massa och rörelsemängd och har förutsetts av Einsteins allmänna relativitetsteori. Ur experimentell synvinkel, man behöver mäta jordens rotationshastighetsvektor med en relativ noggrannhet bättre än en del per miljard, motsvarande en absolut rotationshastighetsupplösning på 10-14 [radianer per sekund]."

Den underjordiska placeringen av dessa system är avgörande för att komma tillräckligt långt bort från yttre störningar från hydrologi, temperatur- eller barometertrycksförändringar för att utföra dessa typer av känsliga mätningar.

Denna pilotprototyp förväntas avslöja unik information om geofysik, men, enligt Belfi, "underjordiska installationer av stora RLG, fri från ytstörningar, kan också ge användbar information om geodesi, den vetenskapsgren som handlar om jordens form och yta."

Det slutliga målet för GINGERino är att uppnå en relativ precision på minst en del per miljard, inom några timmar, att integrera med den mindre exakta informationen om jordens föränderliga rotation som tillhandahålls av data från globala positioneringssystem och de astronomiskt baserade mätningarna av International Earth Rotation System.

"RLG är i huvudsak aktiva optiska interferometrar i ringkonfiguration, ", sa Belfi. "Våra interferometrar är typiskt gjorda av tre eller fyra speglar som bildar en sluten slinga för två optiska strålar som utbreder sig längs slingan. På grund av Sagnac-effekten, en ringinterferometer är en extremt noggrann vinkelhastighetsdetektor. Det är i grunden ett gyroskop."

Gruppens tillvägagångssätt möjliggjorde den första djupa underjordiska installationen av en ultrakänslig storrams-RLG som kan mäta jordens rotationshastighet med en maximal upplösning på 30 pikorad/sekund.

"En egenhet med GINGERino-installationen är att den avsiktligt är belägen inom ett område med hög seismicitet i centrala Italien, " sa Belfi. "Till skillnad från andra stora RLG-installationer, GINGERino kan faktiskt utforska de seismiska rotationer som induceras av närliggande jordbävningar."

En av de största utmaningarna under GINGERinos installation var att kontrollera den naturliga relativa fuktigheten, vilket var över 90 procent.

"Med denna luftfuktighetsnivå, Långsiktig drift av GINGERinos elektronik skulle inte vara lönsamt, " sa Belfi. "Så för att manövrera runt det här problemet, vi stängde in RLG inuti en isoleringskammare och ökade den interna temperaturen i kammaren via en uppsättning infraröda lampor som försörjs med en konstant spänning."

Genom att göra så, gruppen kunde sänka den relativa luftfuktigheten till 60 procent. "Det försämrade inte nämnvärt den naturliga termiska stabiliteten i den underjordiska platsen, vilket gör att vi kan hålla GINGERinos kavitetslängd stabil inom en laservåglängd (633 nanometer) i flera dagar, " han sa.

GINGERino är nu i drift, tillsammans med seismisk utrustning från det italienska institutet för geofysik och vulkanologi, som ett rotationsseismiskt observatorium.

"GINGERino och en samlokaliserad bredbandsseismometer gör det möjligt att hämta, via en enda station, information om den seismiska ytvågens fashastighet som i standardseismologi kräver användning av stora arrayer av seismometrar, sa Belfi.