アルミニウム製のハッチは、その下にあるものを知る唯一の手がかりです。ドイツのミュンヘンから 20 キロ離れた閑静な修道院の村、フュルステンフェルトブルックのトウモロコシ畑と小麦畑の中に埋もれているのは、3 階建ての建物と同じ深さの、コンクリート、鋼管、精密センサーの逆ピラミッドです。先月、レーザーが四面体の端の周りを走り始めたとき、地震学における回転運動 (ROMY) と呼ばれる世界で最も洗練されたリング レーザーとしての支配を開始し、地球自体のねじれと回転を感知することができました。
ルートヴィヒ・マクシミリアン大学（ミュンヘン）の地震学者で、250 万ユーロの機械の主任研究者である Heiner Igel は、「これまでに建設されたことのない構造物です」と述べています。 「それはとても特別なものです。」それを特異なものにしているのは、レーザーを安定に保ち、波長のわずかな変化を検出するために必要なフィネスです.
そうすることで、ROMY は地球の自転速度と自転軸のわずかな変化を測定します。これらの測定の速度とペースは、GPS ナビゲーションの精度を高めることを約束しており、ROMY は、アルバート アインシュタインの一般相対性理論によって予測された微妙な効果を検出することさえできるかもしれません。スプーンが蜂蜜の鍋になった。 ROMY はまた、地震に伴う弱い回転、地球の内部構造への手がかりを含む長い間無視されていた動きにも敏感になります。これらの動きを記録することの価値を示すことで、ROMY は、石油やガスの探鉱者、さらには月や火星の振動を聞きたい惑星科学者を助ける小型センサーへの道を開くことができます.
リング レーザーは、フランスの物理学者ジョルジュ サニャックが 1913 年に実証した効果のおかげで、絶妙な回転センサーです。彼が光を再結合させたとき、彼は干渉「フリンジ」を見ました — 暗い帯と明るい帯は、2 つのビームの光波が位相がずれていることを示しています。スピンの方向に移動するビームは、対応するビームよりもわずかに遠くまで移動し、位相シフトを引き起こしました.
それから数十年、科学者たちは回転を追跡するためにサニャック効果を利用しました。この原理は、1970 年代に厄介な機械式ジャイロに取って代わり、現在ではナビゲーションの標準となっているレーザーおよび光ファイバー ジャイロスコープを支えています。彼らが測定する回転は、戦闘機のターンやダイブのように、速くて大きい.地球自体を測定する測地学用に、より大きく、より高感度のリング レーザーを構築するというアイデアは、ほぼ完全な鏡が利用可能になった 1990 年代まで生まれませんでした。
このような最初のレーザーの 1 つは C-II で、1 メートルのアームを持つ正方形のリング レーザーで、1990 年代半ばにニュージーランドで製造され、温度が安定している使用されなくなった第二次世界大戦の掩蔽壕に収容されていました。サニャックが外部光源から実験に光を当てたのに対し、C-II のリング自体がレーザー ビームを生成し、その空洞はネオンとヘリウム ガスのレーザー媒体で満たされていました。前と同じように、回転は 1 つの光路を長くしますが、C-II への影響は、伸びたばねのコイルのように、その経路に沿って共振するレーザーの波長を伸ばすことでした。反対方向に進むビームの場合、パスと波長が絞られます。ビームが干渉すると、それらのわずかに衝突する波長が、ピアノの調律師が音と音叉を同時に叩いたときに除去しようとするパルス状のうなりと光学的に同等のものを引き起こしました。 「調子が狂っているからビートがある」とアイゲルは言う。ビート周波数は、それを引き起こす自転の直接的な尺度であり、C-II は地球の自転速度を 100 万分の 1 まで測定することができました。
C-II は、その設計を主導したミュンヘン工科大学のレーザー物理学者である Ulrich Schreiber のキャリアも開始しました。シュライバーはその後、ニュージーランド、カリフォルニア、ドイツ、イタリアでリング レーザーに取り組みました。 「彼は指輪の王様です」と、イタリアのピサにある国立核物理研究所の物理学者で、6-イタリアのグランサッソ地下研究所向けに計画されたメートル、八面体リングレーザー。
欧州研究評議会から資金を獲得したイーゲルは、シュライバーに最大の課題である ROMY の設計を提案しました。 12 メートルのアームを備えた ROMY は、以前のリング レーザーよりも感度が高く、地球の自転を 10 億分の 1 よりも正確に感知できます。そして、四角いリングが1つではなく、三角形のリングが4つあります。そのうちの 3 つは回転を任意の方向に固定するために必要であり、4 つ目は冗長性を追加します。建設は 2016 年 3 月に始まり、6 か月後に完成しました。
先月、エンジニアは 4 つのリングすべてで同時に最初の光を達成しました。これは、四面体の形状が十分に正確であり、すべてのレーザーが適切に共鳴し続けることを示しています。 「すべてかゼロかです」と Igel 氏は言います。 「赤い[レーザー]ライトが見えるたびに、人々は叫び声を上げ、本当に興奮しています。」チームは現在、レーザーの干渉とサニャック効果の測定に取り組んでいます。彼らは、来週ウィーンで開催される欧州地球科学連合の会議で、最初の原理実証測定を発表したいと考えています。
最終的に、ROMY の科学者は、1 日の長さと極の位置の変化を監視します。どちらもあなたが思っているほど固定されたものではなく、毎日ミリ秒単位やセンチメートル単位で変化します。太陽と月が地球を引っ張る一方で、大陸の移動、海流の変化、氷河期の氷河の後退以降の地殻の反発はすべて、質量を移動させ、地球の慣性モーメントを変化させ、それによって地球の自転を変化させます。ハリケーンや地震でさえ、あちらこちらに小さな動きを与えることがあります.
地球の小さなけいれんは実際的な結果をもたらします。火星または静止軌道に向けられているかどうかにかかわらず、ロケットを正確にターゲットにするには、それらを考慮する必要があります。また、世界中の企業や消費者が使用している GPS 衛星からのデータは、地表に対する正確な位置が常に修正されていなければ、数週間のうちに無意味になってしまうでしょう。
現在、これらの変数の最良の測定値は、非常に長いベースラインの干渉法 (VLBI) と呼ばれるシステムから得られます。VLBI は、地球上に間隔を置いて配置された電波アンテナを使用して、クエーサー (遠くの宇宙にある時折ちらつく明るいビーコン) を見つめます。測地学者は、間隔の広い皿が明るさの変化を記録する時間を記録することで、惑星の自転速度と軸を計算できます。しかし、このシステムでは天文学の貴重な時間を割くために数十の天文台が必要であり、最適なタイミングを比較するには、遠隔地からスーパーコンピューター センターにハード ドライブを夜間に配送する必要があります。観察結果を測定値として公開するには、数日かかる場合があります。
ROMY は VLBI の精度に匹敵するように努力し、速度でそれを凌駕します。理論的には、ROMY は地球の自転速度と自転軸を常に監視し、測定値をリアルタイムで更新できると、タスマニア大学 (オーストラリア、ホバート) の測地学者で、VLBI サービスの提供を手伝っている Lucia Plank は言います。 「ROMY の利点は、結果がすぐに得られることです」と Plank 氏は言いますが、より安定している VLBI 技術がすぐになくなる可能性は低いと付け加えています。
VLBI は、数十億光年離れたマーカーに対する地球の自転を測定しますが、ROMY は地表でそれを測定します。違いは明らかです。これは、地球の回転する質量の重力が近くの時空で歪んだりねじれたりするアインシュタインのフレーム引きずり効果が、地球の近くで測定された回転速度に極小のシフトを引き起こすはずだからです。これは、NASA の 7 億 5000 万ドルのミッションである Gravity Probe B によって行われた、有名で高価なテストと同じテストで、衛星にジャイロスコープを搭載し、フレームの引きずりを測定しました。 Belfi 氏は、地上からやり直す価値があると述べています。 「物理学では、これは些細な結果ではありません」と、ROMY ができない場合に GINGER を使用してテストを行いたいと考えている Belfi は言います。
非常に新しいので、ROMY は実験的なドリフトに悩まされています。その構造は、フュルステンフェルトブルックの柔らかい堆積物にまだ沈んでいます。温度変化に強いセラミックであるZerodurのブロックに固定された他のリングレーザーとは異なり、ROMYの鋼管は昼夜の温度変化に合わせて曲がります。また、雨が地面を飽和させた後に移動する傾向があります。 Igel は最終的に、ROMY の各ミラーの後ろに小さなモーターを配置して、リングをリアルタイムで微調整することで、これらのドリフトをなくしたいと考えています。しかし、彼は動きの速い「ドリフト」の 1 つである地震の揺れを受け入れることに熱心です。
これまで、地震学者は平行移動のみを測定していました。つまり、3 つの基本軸のいずれかに沿った地面の変位です。しかし、地震波も傾斜運動を引き起こし、位置を変えることなくポイントを回転させます。従来の地震計では傾きの動きを測定できませんでしたが、理論的には、傾きは無視できるほど小さいことが示唆されていました。有名な地震のマグニチュード スケールを開発した地震学者であるチャールズ リヒターが 1958 年に書いたように、「そのような回転は無視できる」
「しかし、彼らはそこにいます」と Igel は言います。実際、近年の実験では、動きが実際には大きくなる可能性があることが示唆されています。柔らかい土壌は、それらを並進運動の大きさの 10% 以上に増幅する可能性があります。技術者はこれまで並進振動のみを考慮して建物を設計してきましたが、傾斜も考慮に入れる必要があると、カリフォルニア州サンタクルーズにある米国地質調査所の地震学者であるジョン・エバンズは言います。 「建物が許容範囲内で反応するためには、実際にどのような [揺れ] が建物に入るかを知ることが最善です。」
傾斜の測定は、地球科学にも利益をもたらす可能性があります。従来の地震計は、傾斜を並進運動として誤分類する可能性があります。これは、柔らかい泥の上にある海底センサーにとって特に深刻な問題です、と Evans は言います。傾斜を直接測定することで、研究者はこのような「データの汚染」を制限できます。傾斜の測定はまた、火山の内部の 3D モデルを鮮明にするかもしれません。そこでは、膨張するマグマが通常よりも大きな回転を伴う微動を引き起こします、と Igel は言います。 「これらの傾斜運動を考慮しないと、モデルが間違っている可能性があります」と彼は言います。
ROMY は、地球科学者がこの新しい地震学のフロンティアを探索するのに役立つはずです。チームが最初の三角形のリングをオンにした直後に、昨年 10 月にイタリアで発生したマグニチュード 6.6 のノルチャ地震による回転を感知しました。
最終的に、科学者は発生源に近づきたいと思うでしょう。 「ROMY を動かすことはできません」と、パリのナビゲーション センサー会社 iXBlue で地震回転センサーの責任者を務めるフレデリック ガタリは言います。 「さて、ポータブル デバイスが必要です。」 iXBlue からの答えは、レーザーではなく、長さ 5 km の光ファイバー ループに依存し、直径わずか 20 cm のコイルに巻かれたコンパクトなセンサーです。このデバイスは、ループを介して反対方向に光子を送信し、それらを干渉させ、位相シフトを追跡して回転を検出します。ガタリはすでにストロンボリ火山とフィレンツェ大聖堂にプロトタイプを配置しています.
センサーはそれぞれ最大 50,000 ユーロで、従来の地震計よりもはるかに高価になりますが、ガタリ氏によると、最終的には地中をマッピングするためのより安価な方法が提供されるとのことです。通常、地球科学者は、数十、場合によっては数百ものセンサーをアレイ状に並べて、地球の奥深くにある石油とガスのトラップを探します。このアレイは、遠くの地震や近くで起爆した小さな爆発によって生成された地震波のエコーを聞き取り、地震波が地下構造物で跳ね返るのを聞きます。しかし、平行移動だけでなく回転も測定することで、地震学者は地震波の変位だけでなく、地下構造の強力なプローブであるその速度も得ることができます。 「このポイント測定では、さらに多くのことができます」と Igel 氏は言います。
iXBlue の技術により、石油およびガス産業はより少ないセンサーでやり遂げることができるようになるかもしれません。また、他の惑星へのミッションなど、センサーを 1 つでも配備することが困難な状況でも役立つ可能性があります。 Evans は、傾斜センサーが普及する可能性があると予測しています。 「採用のペースは遅くなると思います」と彼は言います。 「20 年後には標準になるかもしれません。」
しかし、Igel と Schreiber は、増殖するのは小さな稚魚だけではなく、ROMY が子孫を産むことも望んでいる.地球上に散在する複数の大きなリング レーザーを使用して、測地測定を相互に調整、調整、およびチェックして、地球のねじれと回転のより豊かで正確な図を作成できます。 Plank 氏は VLBI に忠実ではあるが、ドイツの偉大なリングが単独で君臨することはないという希望を共有している. 「究極の目標は、これらを世界中にもっと広めることです。」
