Τα θαμμένα λέιζερ θα ανιχνεύουν την περιστροφή της Γης και τους σεισμούς να κάνουν τη συστροφή

Οι καταπακτές αλουμινίου είναι η μόνη ένδειξη για το τι κρύβεται από κάτω. Θαμμένο ανάμεσα στα χωράφια με καλαμπόκι και σιτάρι του Fürstenfeldbruck, ενός νυσταγμένου μοναστηριακού χωριού 20 χιλιόμετρα από το Μόναχο της Γερμανίας, βρίσκεται μια ανεστραμμένη πυραμίδα από σκυρόδεμα, χαλύβδινους σωλήνες και αισθητήρες ακριβείας, τόσο βαθιά όσο ένα τριώροφο κτίριο. Τον περασμένο μήνα, όταν τα λέιζερ άρχισαν να κινούνται γύρω από τις άκρες του τετραέδρου, το Rotational Motions in Seismology (ROMY), όπως ονομάζεται, ξεκίνησε τη βασιλεία του ως το πιο εξελιγμένο λέιζερ δακτυλίου στον κόσμο, ικανό να ανιχνεύσει πώς η ίδια η Γη στρίβει και γυρίζει.

«Είναι μια κατασκευή που δεν έχει κατασκευαστεί ποτέ πριν», λέει ο Heiner Igel, σεισμολόγος στο Πανεπιστήμιο Ludwig Maximilian του Μονάχου και ο κύριος ερευνητής για τη μηχανή των 2,5 εκατομμυρίων ευρώ. «Είναι κάτι τόσο ιδιαίτερο». Αυτό που το κάνει μοναδικό είναι η φινέτσα που απαιτείται για να διατηρούνται σταθερά τα λέιζερ και να ανιχνεύονται μικροσκοπικές αλλαγές στα μήκη κύματός τους.

Με αυτόν τον τρόπο, η ROMY θα μετρήσει μικροσκοπικές αλλαγές στον ρυθμό περιστροφής της Γης και στον άξονα περιστροφής. Η ταχύτητα και ο ρυθμός αυτών των μετρήσεων υπόσχονται να προσθέσουν μια αύξηση της ακρίβειας στην πλοήγηση GPS και η ROMY μπορεί ακόμη και να είναι σε θέση να ανιχνεύσει ένα λεπτό φαινόμενο που προβλέπεται από τη θεωρία της γενικής σχετικότητας του Albert Einstein:την έλξη του περιστρεφόμενου πλανήτη στον κοντινό χωρόχρονο, όπως κουτάλι γυρισμένο σε μια κατσαρόλα με μέλι. Το ROMY θα είναι επίσης ευαίσθητο στις αδύναμες περιστροφές που συνοδεύουν τους σεισμούς, στις κινήσεις που αγνοούνται από καιρό και περιέχουν ενδείξεις για την εσωτερική δομή της Γης. Δείχνοντας την αξία της καταγραφής αυτών των κινήσεων, το ROMY θα μπορούσε να ανοίξει το δρόμο για μικροσκοπικούς αισθητήρες που θα μπορούσαν να βοηθήσουν τους ερευνητές πετρελαίου και φυσικού αερίου, ακόμη και τους πλανητικούς επιστήμονες που θέλουν να ακούσουν για δονήσεις στο φεγγάρι και στον Άρη.

Τα λέιζερ δακτυλίου είναι εξαίσιοι αισθητήρες περιστροφής χάρη σε ένα αποτέλεσμα που έδειξε ο Γάλλος φυσικός Georges Sagnac το 1913. Διαχώρισε το φως σε δύο ακτίνες που ταξίδευαν σε αντίθετες κατευθύνσεις γύρω από την καθρέφτη της περιμέτρου μιας περιστρεφόμενης επιφάνειας. Όταν ανασυνδύασε το φως, είδε παρεμβολές «κροσσές»—σκοτεινές και φωτεινές ζώνες που έδειχναν ότι τα φωτεινά κύματα στις δύο δέσμες ήταν εκτός φάσης. Η δέσμη που κινείται προς την κατεύθυνση της περιστροφής είχε ταξιδέψει ελαφρώς μακρύτερα από την αντίστοιχή της, προκαλώντας τη μετατόπιση φάσης.

Τις δεκαετίες από τότε, οι επιστήμονες έθεσαν σε λειτουργία το φαινόμενο Sagnac για να παρακολουθούν τις περιστροφές. Η αρχή βασίζεται στα γυροσκόπια λέιζερ και οπτικών ινών που αντικατέστησαν τα λεπτεπίλεπτα μηχανικά γυροσκόπια στη δεκαετία του 1970 και αποτελούν πλέον πρότυπο για την πλοήγηση. Οι περιστροφές που μετρούν, όπως οι στροφές και οι καταδύσεις ενός μαχητικού αεροσκάφους, είναι γρήγορες και μεγάλες. Η ιδέα της κατασκευής ενός μεγαλύτερου, πιο ευαίσθητου λέιζερ δακτυλίου για τη γεωδαισία—μετρώντας την ίδια τη Γη— εμφανίστηκε μέχρι τη δεκαετία του 1990, όταν έγιναν διαθέσιμοι σχεδόν τέλειοι καθρέφτες.

Ένα από τα πρώτα τέτοια λέιζερ ήταν το C-II, ένα λέιζερ δακτυλίου σε σχήμα τετράγωνου με βραχίονες 1 μέτρου, που κατασκευάστηκε στη Νέα Ζηλανδία στα μέσα της δεκαετίας του 1990 και στεγάστηκε σε ένα παροπλισμένο καταφύγιο του Β 'Παγκοσμίου Πολέμου, όπου οι θερμοκρασίες είναι σταθερές. Ενώ ο Sagnac έλαμψε φως στο πείραμά του από μια εξωτερική πηγή, ο ίδιος ο δακτύλιος του C-II παρήγαγε ακτίνες λέιζερ, με τις κοιλότητες του γεμάτες με ένα μέσο λέιζερ αερίου νέον και ηλίου. Όπως και πριν, μια περιστροφή επέκτεινε ένα μονοπάτι φωτός, αλλά το αποτέλεσμα στο C-II ήταν να τεντώσει το μήκος κύματος του λέιζερ που αντηχούσε κατά μήκος αυτής της διαδρομής, όπως τα πηνία σε ένα τεντωμένο ελατήριο. Για τη δέσμη που τρέχει προς την αντίθετη κατεύθυνση, η διαδρομή και το μήκος κύματος συμπιέστηκαν. Όταν παρεμβλήθηκαν οι δέσμες, τα ελαφρώς συγκρουόμενα μήκη κύματός τους προκάλεσαν το οπτικό ισοδύναμο των παλμικών παλμών που οι δέκτες πιάνου προσπαθούν να εξαλείψουν καθώς χτυπούν μια νότα και ένα πιρούνι συντονισμού ταυτόχρονα. "Έχετε beats επειδή δεν έχετε συντονιστεί", λέει ο Igel. Η συχνότητα παλμού είναι ένα άμεσο μέτρο της περιστροφής που την προκαλεί και το C-II μπόρεσε να μετρήσει τον ρυθμό περιστροφής της Γης σε ένα μέρος στο εκατομμύριο.

Το C-II ξεκίνησε επίσης την καριέρα του Ulrich Schreiber, ενός φυσικού λέιζερ στο Τεχνικό Πανεπιστήμιο του Μονάχου που ηγήθηκε του σχεδιασμού του. Ο Schreiber αργότερα εργάστηκε σε λέιζερ δακτυλίου στη Νέα Ζηλανδία, την Καλιφόρνια, τη Γερμανία και την Ιταλία. «Είναι ο άρχοντας των δαχτυλιδιών», λέει ο Jacopo Belfi, ένας φυσικός στο Εθνικό Ινστιτούτο Πυρηνικής Φυσικής στην Πίζα της Ιταλίας, ο οποίος εργάζεται στο GINGERino, ένα λέιζερ τετραγωνικού δακτυλίου 3,6 μέτρων που είναι ο πρόδρομος του GINGER, ένα 6- μετρητή, οκταεδρικό λέιζερ δακτυλίου έχει προγραμματιστεί για το υπόγειο εργαστήριο Gran Sasso της Ιταλίας.

Έχοντας κερδίσει χρηματοδότηση από το Ευρωπαϊκό Συμβούλιο Έρευνας, ο Igel πρότεινε στον Schreiber τη μεγαλύτερη πρόκληση:να σχεδιάσει το ROMY. Με τους βραχίονες μήκους 12 μέτρων, το ROMY είναι πιο ευαίσθητο από τα προηγούμενα λέιζερ δακτυλίου, ικανό να ανιχνεύσει την περιστροφή της Γης σε καλύτερα από ένα μέρος ανά δισεκατομμύριο. Και αντί για έναν τετράγωνο δακτύλιο, έχει τέσσερα τριγωνικά. Τρεις από αυτούς απαιτούνται για να εντοπίσουν τις περιστροφές προς οποιαδήποτε κατεύθυνση και το τέταρτο προσθέτει πλεονασμό. Η κατασκευή ξεκίνησε τον Μάρτιο του 2016 και ολοκληρώθηκε 6 μήνες αργότερα.

Τον περασμένο μήνα, οι μηχανικοί πέτυχαν το πρώτο φως και στους τέσσερις δακτυλίους ταυτόχρονα - ένα σημάδι ότι η γεωμετρία του τετραέδρου είναι αρκετά ακριβής ώστε να διατηρεί όλα τα λέιζερ να αντηχούν σωστά. «Είναι τα πάντα ή τίποτα», λέει ο Igel. «Κάθε φορά που είναι ορατό το κόκκινο φως [λέιζερ], οι άνθρωποι ουρλιάζουν, πραγματικά ενθουσιασμένοι». Η ομάδα εργάζεται τώρα για την παρεμβολή των λέιζερ και τη μέτρηση του φαινομένου Sagnac. Ελπίζουν να παρουσιάσουν τις πρώτες τους μετρήσεις απόδειξης της αρχής την επόμενη εβδομάδα σε μια συνάντηση της Ευρωπαϊκής Ένωσης Γεωεπιστημών στη Βιέννη.

Τελικά, οι επιστήμονες της ROMY θα παρακολουθούν τις αλλαγές στη διάρκεια της ημέρας και τη θέση των πόλων. Κανένα από τα δύο δεν είναι τόσο σταθερό όσο νομίζετε, καθώς ποικίλλει ανά χιλιοστά του δευτερολέπτου και εκατοστών κάθε μέρα. Ο ήλιος και η σελήνη ρυμουλκούν τον πλανήτη, ενώ η μετατόπιση των ηπείρων, οι αλλαγές στα ωκεάνια ρεύματα και η ανάκαμψη του φλοιού από την υποχώρηση των παγετώνων της εποχής των παγετώνων μετατοπίζουν τη μάζα γύρω, αλλάζοντας τη ροπή αδράνειας της Γης και επομένως την περιστροφή της. Ακόμη και οι τυφώνες και οι σεισμοί μπορούν να δώσουν μια μικρή ώθηση έτσι ή αλλιώς.

Οι μικρές συσπάσεις της Γης έχουν πρακτικές συνέπειες. Η ακριβής στόχευση ενός πυραύλου, είτε προορίζεται για τον Άρη είτε για γεωστατική τροχιά, απαιτεί τη λήψη τους υπόψη. Και τα δεδομένα από τους δορυφόρους GPS -τους οποίους χρησιμοποιούν οι επιχειρήσεις και οι καταναλωτές σε όλο τον κόσμο- θα οδηγούνταν σε άσχετο περιεχόμενο εντός εβδομάδων, εάν οι ακριβείς θέσεις τους σε σχέση με την επιφάνεια της Γης δεν διορθώνονταν συνεχώς.

Επί του παρόντος, οι καλύτερες μετρήσεις αυτών των μεταβλητών προέρχονται από ένα σύστημα που ονομάζεται συμβολομέτρηση πολύ μεγάλης γραμμής βάσης (VLBI), το οποίο χρησιμοποιεί ραδιοφωνικά πιάτα που βρίσκονται σε απόσταση σε όλη τη Γη για να κοιτάζουν κβάζαρ - λαμπρούς φάρους στο μακρινό σύμπαν που περιστασιακά τρεμοπαίζουν. Με το ρολόι όταν τα πιάτα σε μεγάλη απόσταση καταγράφουν μια αλλαγή στη φωτεινότητα, οι γεωδαιτικοί μπορούν να υπολογίσουν τον ρυθμό περιστροφής του πλανήτη και τον άξονά του. Αλλά το σύστημα απαιτεί δεκάδες παρατηρητήρια για να αφήσουν πολύτιμο χρόνο αστρονομίας και για τις καλύτερες συγκρίσεις χρονισμού, οι σκληροί δίσκοι πρέπει να αποστέλλονται κατά τη διάρκεια της νύχτας από απομακρυσμένες τοποθεσίες σε κέντρα υπερυπολογιστών. Μπορεί να χρειαστούν μέρες για να μετατραπούν οι παρατηρήσεις σε δημοσιευμένη μέτρηση.

Η ROMY θα προσπαθήσει να ταιριάξει με την ακρίβεια του VLBI—και να την ξεπεράσει σε ταχύτητα. Θεωρητικά, η ROMY θα μπορούσε να παρακολουθεί συνεχώς τον ρυθμό περιστροφής και τον άξονα της Γης, ενημερώνοντας τις μετρήσεις σε πραγματικό χρόνο, λέει η Lucia Plank, γεωδαιτολόγος στο Πανεπιστήμιο της Τασμανίας στο Χόμπαρτ της Αυστραλίας, η οποία βοηθά στην παροχή της υπηρεσίας VLBI. "Το πλεονέκτημα της ROMY είναι ότι έχετε ένα στιγμιαίο αποτέλεσμα", λέει η Plank, αν και προσθέτει ότι η τεχνική VLBI, καθώς είναι πιο σταθερή, είναι απίθανο να εξαφανιστεί σύντομα.

Ενώ το VLBI μετρά την περιστροφή της Γης σε σχέση με δείκτες δισεκατομμύρια έτη φωτός μακριά, η ROMY τη μετρά ακριβώς στην επιφάνεια — και η διαφορά θα μπορούσε να είναι χαρακτηριστική. Αυτό συμβαίνει επειδή το φαινόμενο έλξης πλαισίου του Αϊνστάιν, στο οποίο η βαρύτητα της περιστρεφόμενης μάζας της Γης παραμορφώνεται και συστρέφεται στον κοντινό χωροχρόνο, θα πρέπει να προκαλέσει μια απειροελάχιστη μετατόπιση στον ρυθμό περιστροφής όπως μετράται κοντά στη Γη. Είναι το ίδιο τεστ που έγινε, περίφημα και ακριβά, από το Gravity Probe B, μια αποστολή 750 εκατομμυρίων δολαρίων της NASA που τοποθέτησε γυροσκόπια σε έναν δορυφόρο και μέτρησε την έλξη του πλαισίου. Η Μπέλφι λέει ότι αξίζει τον κόπο να το ξανακάνω, από το έδαφος. "Στη φυσική αυτό δεν είναι ένα ασήμαντο αποτέλεσμα", λέει η Belfi, η οποία θέλει να χρησιμοποιήσει το GINGER για να κάνει το τεστ εάν η ROMY δεν μπορεί.

Όντας τόσο καινούργιο, η ROMY μαστίζεται από πειραματική παρέκκλιση. Η δομή εξακολουθεί να κατακάθεται στα μαλακά ιζήματα του Fürstenfeldbruck. Σε αντίθεση με άλλα λέιζερ δακτυλίου, τα οποία στερεώθηκαν σε μπλοκ Zerodur - ένα κεραμικό ανθεκτικό στις αλλαγές θερμοκρασίας - οι χαλύβδινοι σωλήνες της ROMY λυγίζουν με τις εναλλαγές θερμοκρασίας της ημέρας και της νύχτας. Είναι επίσης επιρρεπής σε μετατόπιση αφού οι βροχές κορέσουν το έδαφος. Ο Igel θέλει τελικά να εξαλείψει αυτές τις παρασύρσεις βάζοντας μικρούς κινητήρες πίσω από κάθε καθρέφτη της ROMY για να κάνει μικροσκοπικές ρυθμίσεις στους δακτυλίους σε πραγματικό χρόνο. Αλλά είναι πρόθυμος να αγκαλιάσει έναν τύπο ταχείας κίνησης:τον σεισμό.

Στο παρελθόν, οι σεισμολόγοι έχουν μετρήσει μόνο τη μετατόπιση - τη μετατόπιση του εδάφους κατά μήκος οποιουδήποτε από τους τρεις βασικούς άξονες. Αλλά τα σεισμικά κύματα οδηγούν επίσης κινήσεις κλίσης, οι οποίες περιστρέφουν σημεία χωρίς να αλλάζουν τις θέσεις τους. Τα παραδοσιακά σεισμόμετρα δεν μπορούσαν να μετρήσουν τις κινήσεις κλίσης, αλλά η θεωρία πρότεινε, καθησυχαστικά, ότι είναι αρκετά μικρά για να τα αγνοήσουμε. Όπως έγραψε ο Τσαρλς Ρίχτερ, ο σεισμολόγος που ανέπτυξε τη διάσημη κλίμακα μεγέθους για τους σεισμούς, το 1958, «τέτοιες περιστροφές είναι αμελητέες».

«Αλλά είναι εκεί», λέει ο Igel. Πράγματι, τα πειράματα τα τελευταία χρόνια έχουν δείξει ότι οι κινήσεις μπορεί να είναι πραγματικά μεγάλες. Τα μαλακά εδάφη μπορούν να τα ενισχύσουν στο 10% ή περισσότερο του μεγέθους των μεταφορικών κινήσεων. Οι μηχανικοί έχουν σχεδιάσει κτίρια μόνο για μεταφραστική δόνηση, αλλά θα πρέπει να λαμβάνουν υπόψη και τις κλίσεις, λέει ο Τζον Έβανς, σεισμολόγος στο Γεωλογικό Ινστιτούτο των ΗΠΑ στη Σάντα Κρουζ της Καλιφόρνια. "Είναι καλύτερο να γνωρίζουμε τι [κούνημα] συμβαίνει στην πραγματικότητα σε ένα κτίριο για να ανταποκριθεί σε ανεκτά όρια."

Οι μετρήσεις της κλίσης θα μπορούσαν επίσης να αποδώσουν οφέλη για την επιστήμη της γης. Τα παραδοσιακά σεισμόμετρα μπορούν να ταξινομήσουν εσφαλμένα την κλίση ως μεταφορική κίνηση - ένα πρόβλημα ιδιαίτερα οξύ για τους αισθητήρες του βυθού των ωκεανών που βρίσκονται σε μαλακές λάσπες, λέει ο Evans. Μετρώντας απευθείας την κλίση, οι ερευνητές θα μπορούσαν να περιορίσουν μια τέτοια «μόλυνση δεδομένων». Οι μετρήσεις κλίσης μπορεί επίσης να ακονίσουν τα τρισδιάστατα μοντέλα του εσωτερικού των ηφαιστείων, όπου τα μάγματα διόγκωσης δημιουργούν τρέμουλο με μεγαλύτερες από το κανονικό περιστροφές, λέει ο Igel. "Εάν δεν λάβετε υπόψη αυτές τις κινήσεις κλίσης, το μοντέλο σας μπορεί να είναι λάθος", λέει.

Το ROMY θα πρέπει να βοηθήσει τους επιστήμονες της γης να εξερευνήσουν αυτό το νέο σεισμολογικό σύνορο - έστω και μόνο δείχνοντας ότι υπάρχει. Λίγο αφότου η ομάδα άνοιξε τον πρώτο της τριγωνικό δακτύλιο, αισθάνθηκε περιστροφές από τον σεισμό μεγέθους 6,6 Ρίχτερ στην Ιταλία τον περασμένο Οκτώβριο.

Τελικά, οι επιστήμονες θα θέλουν να έρθουν πιο κοντά στην πηγή. "Δεν μπορείτε να μετακινήσετε το ROMY", λέει ο Frédéric Guattari, επικεφαλής αισθητήρων σεισμικής περιστροφής στο iXBlue, μια εταιρεία αισθητήρων πλοήγησης στο Παρίσι. «Τώρα, χρειαζόμαστε μια φορητή συσκευή». Η απάντηση από το iXBlue είναι ένας συμπαγής αισθητήρας που δεν βασίζεται σε λέιζερ αλλά σε έναν βρόχο οπτικών ινών μήκους 5 χιλιομέτρων, τυλιγμένο σε ένα πηνίο πλάτους μόλις 20 εκατοστών. Η συσκευή στέλνει φωτόνια σε αντίθετες κατευθύνσεις μέσω του βρόχου, τα παρεμποδίζει και παρακολουθεί τις μετατοπίσεις φάσης για να ανιχνεύσει περιστροφές. Ο Guattari έχει ήδη τοποθετήσει πρωτότυπα καβάλα στο ηφαίστειο Stromboli και στον καθεδρικό ναό της Φλωρεντίας.

Με έως και 50.000 ευρώ ο καθένας, οι αισθητήρες θα είναι πολύ πιο ακριβοί από ένα παραδοσιακό σεισμόμετρο, αλλά ο Guattari λέει ότι θα προσφέρουν τελικά έναν φθηνότερο τρόπο χαρτογράφησης του υπεδάφους. Συνήθως, οι γεωεπιστήμονες αναζητούν παγίδες πετρελαίου και αερίου βαθιά στη Γη τοποθετώντας δεκάδες ή και εκατοντάδες αισθητήρες σε μια συστοιχία. Η συστοιχία ακούει την ηχώ των σεισμικών κυμάτων - που δημιουργούνται από μακρινούς σεισμούς ή μικρές εκρήξεις που πυροδοτούνται κοντά - καθώς αναπηδούν από την υπόγεια δομή. Αλλά μετρώντας την περιστροφή καθώς και τη μετάφραση, οι σεισμολόγοι μπορούν να λάβουν όχι μόνο τη μετατόπιση των κυμάτων σεισμού αλλά και τις ταχύτητες τους, οι οποίες είναι ένας ισχυρός ανιχνευτής της υπόγειας δομής. "Μπορείτε να κάνετε πολλά περισσότερα με αυτή τη σημειακή μέτρηση", λέει ο Igel.

Η τεχνολογία του iXBlue μπορεί να επιτρέψει στη βιομηχανία πετρελαίου και φυσικού αερίου να τα βγάλει πέρα ​​με λιγότερους αισθητήρες. Θα μπορούσε επίσης να αποδειχθεί χρήσιμο σε καταστάσεις όπου η ανάπτυξη έστω και ενός αισθητήρα είναι δύσκολη — όπως σε αποστολές σε άλλους πλανήτες. Ο Evans προβλέπει ότι οι αισθητήρες κλίσης θα μπορούσαν να ανθίσουν. «Νομίζω ότι θα δούμε αργή υιοθεσία», λέει. "Σε 20 χρόνια θα μπορούσαν να είναι στάνταρ."

Αλλά ο Igel και ο Schreiber ελπίζουν ότι δεν θα πολλαπλασιάζονται μόνο τα μικρά γόνοι - θέλουν επίσης το ROMY να γεννήσει απογόνους. Με πολλά μεγάλα λέιζερ δακτυλίου διάσπαρτα σε όλο τον κόσμο, οι γεωδαιτικές μετρήσεις θα μπορούσαν να συντονιστούν, να βαθμονομηθούν και να ελεγχθούν μεταξύ τους για να δημιουργήσουν μια πιο πλούσια και ακριβέστερη εικόνα των ανατροπών του πλανήτη μας. Η Πλανκ, αν και πιστή στο VLBI, λέει ότι συμμερίζεται την ελπίδα ότι το μεγάλο δαχτυλίδι της Γερμανίας δεν θα βασιλέψει μόνη της. "Ο απώτερος στόχος θα ήταν να έχουμε περισσότερα από αυτά σε όλο τον κόσμο."