A localização do giroscópio de laser anel GINGERino nos laboratórios subterrâneos do INFN em Gran Sasso, Itália. Crédito:Belfi et al.
Pesquisadores na Itália esperam medir a rotação da Terra usando um giroscópio baseado em laser alojado no subsolo, com suficiente precisão experimental para revelar efeitos mensuráveis da teoria geral da relatividade de Einstein. A tecnologia de giroscópio a laser anelar (RLG) que permite essas medições baseadas na Terra fornece, ao contrário daqueles feitos por referência a objetos celestes, informações de rotação inercial, revelando flutuações na taxa de rotação do referencial aterrado.
Um grupo do Instituto Nacional Italiano de Física Nuclear (INFN) Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) está trabalhando com um programa de pesquisa que visa medir a precessão giroscópica que a Terra sofre devido a um efeito relativístico chamado efeito Lense-Thirring. Este programa, chamados Giroscópios na Relatividade Geral (GENGIBRE), eventualmente usaria uma série de RLGS altamente sensíveis. Por enquanto, eles demonstraram com sucesso seu protótipo, GINGERino, e adquiriu uma série de medições sísmicas adicionais necessárias em seus esforços.
No diário desta semana Revisão de instrumentos científicos , o grupo relata a instalação bem-sucedida do instrumento GINGERino de eixo único dentro do laboratório subterrâneo do INFN LNGS, e sua capacidade de detectar movimento rotacional local do solo.
Em última análise, O GINGER visa medir o vetor da taxa de rotação da Terra com uma precisão relativa melhor do que uma parte por bilhão para ver os minúsculos efeitos Lense-Thirring.
"Este efeito é detectável como uma pequena diferença entre o valor da taxa de rotação da Terra medida por um observatório terrestre, e o valor medido em um referencial inercial, "disse Jacopo Belfi, autor principal e pesquisador que trabalha para a seção Pisa do INFN. "Esta pequena diferença é gerada pela massa e momento angular da Terra e foi prevista pela teoria geral da relatividade de Einstein. Do ponto de vista experimental, é preciso medir o vetor da taxa de rotação da Terra com uma precisão relativa melhor do que uma parte por bilhão, correspondendo a uma resolução de taxa de rotação absoluta de 10-14 [radianos por segundo]. "
O giroscópio de laser anel GINGERino, que é uma cavidade quadrada com um comprimento lateral de 3,6 metros. Crédito:Belfi et al.
A colocação subterrânea desses sistemas é essencial para ficar longe o suficiente de perturbações externas da hidrologia, mudanças de temperatura ou pressão barométrica para realizar esses tipos de medições sensíveis.
Espera-se que este protótipo piloto revele informações exclusivas sobre geofísica, mas, de acordo com Belfi, "instalações subterrâneas de grandes RLGs, livre de perturbações de superfície, também pode fornecer informações úteis sobre geodésia, o ramo da ciência que lida com a forma e a área da Terra. "
O objetivo final do GINGERino é atingir uma precisão relativa de pelo menos uma parte por bilhão, dentro de algumas horas, para integrar com as informações menos precisas da mudança de rotação da Terra fornecidas pelos dados do sistema de posicionamento global e as medições baseadas em astronomia do Sistema Internacional de Rotação da Terra.
"RLGs são essencialmente interferômetros ópticos ativos em configuração de anel, "Belfi disse." Nossos interferômetros são tipicamente feitos de três ou quatro espelhos que formam um circuito fechado para dois feixes ópticos que se propagam ao longo do circuito. Devido ao efeito Sagnac, um interferômetro de anel é um detector de velocidade angular extremamente preciso. É essencialmente um giroscópio. "
A abordagem do grupo permitiu a primeira instalação subterrânea profunda de um RLG ultrassensível de grande porte, capaz de medir a taxa de rotação da Terra com uma resolução máxima de 30 picorads / segundo.
Descarga por radiofrequência do laser anel GINGERino. Um plasma de hélio-neon é gerado no meio de um lado do anel por meio de um capilar de pirex. Crédito:Belfi et al.
"Uma peculiaridade da instalação GINGERino é que ela está intencionalmente localizada em uma área de alta sismicidade do centro da Itália, "Belfi disse." Ao contrário de outras grandes instalações RLG, GINGERino pode realmente explorar as rotações sísmicas induzidas por terremotos próximos. "
Um dos maiores desafios durante a instalação do GINGERino foi controlar a umidade relativa natural, que estava acima de 90 por cento.
"Com este nível de umidade, a operação de longo prazo da eletrônica do GINGERino não seria viável, "Belfi disse." Então, para contornar este problema, encerramos o RLG dentro de uma câmara de isolamento e aumentamos a temperatura interna da câmara por meio de um conjunto de lâmpadas infravermelhas alimentadas com tensão constante. "
Ao fazê-lo, o grupo conseguiu reduzir a umidade relativa para 60 por cento. "Não degradou significativamente a estabilidade térmica natural da localização subterrânea, o que nos permite manter o comprimento da cavidade de GINGERino estável dentro de um comprimento de onda do laser (633 nanômetros) por vários dias, " ele disse.
GINGERino está operando agora, junto com o equipamento sísmico fornecido pelo Instituto Italiano de Geofísica e Vulcanologia, como um observatório sísmico rotacional.
"GINGERino e um sismômetro de banda larga co-localizado tornam possível recuperar, através de uma única estação, informações sobre a velocidade de fase da onda sísmica de superfície que na sismologia padrão requer o uso de grandes matrizes de sismômetros, "disse Belfi.
