Miden bajo el subsuelo la rotación de la Tierra para revelar efectos de la teoría de la relatividad

Giroscopio

Investigadores italianos esperan medir la rotación de la Tierra usando un giroscopio basado en el láser ubicado bajo el subsuelo con suficiente precisión experimental para revelar efectos medibles de la teoría general de la relatividad de Einstein. 

La tecnología del giroscopio láser de anillo (RLG, por sus siglas en inglés) que permite estas mediciones basadas en la Tierra proporciona, a diferencia de las realizadas por referencia a objetos celestes, información de rotación inercial, que revela fluctuaciones en la tasa de rotación desde el marco de referencia con conexión a la tierra.



Un grupo del Laboratorio Nazionali del Gran Sasso (LNGS, por sus siglas en inglés) del Instituto Nacional Italiano de Física Nuclear (INFN, por sus siglas en inglés) está trabajando con un programa de investigación destinado a medir la precesión giroscópica que experimenta la Tierra debido a un efecto relativista llamado efecto Lense-Thirring. Este programa, llamado Giroscopios en Relatividad General (GINGER, por sus siglas en inglés), eventualmente utilizaría una matriz de RLGs altamente sensible. Por ahora, han demostrado con éxito su prototipo, GINGERino, y adquirido una serie de medidas sísmicas adicionales necesarias en sus esfuerzos.

En un artículo publicado en 'Review of Scientific Instruments', el equipo de científicos informa sobre su exitosa instalación del instrumento GINGERino de un solo eje dentro del laboratorio subterráneo del INFN, LNGS y su capacidad para detectar el movimiento local de rotación del suelo. En última instancia, GINGER tiene como objetivo medir el vector de velocidad de rotación de la Tierra con una precisión relativa mejor que una parte por mil millones para ver los minúsculos efectos Lense-Thirring.

"Este efecto es detectable como una pequeña diferencia entre el valor de la tasa de rotación de la Tierra medido por un observatorio en tierra y el valor medido en un marco de referencia inercial", señala el autor principal, Jacopo Belfi, investigador de la sección Pisa de INFN. "Esta pequeña diferencia se genera por la masa de la Tierra y el momento angular 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 velocidad 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]".

INFORMACIÓN SOBRE GEOFÍSICA Y GEODESIA

La colocación subterránea de estos sistemas es esencial para alejarse lo suficiente de las perturbaciones externas de la hidrología, la temperatura o los cambios de presión barométrica para llevar a cabo este tipo de medidas sensibles. Se espera que este prototipo piloto revele información única sobre geofísica, pero, según Belfi, "las instalaciones subterráneas de grandes RLGs, libres de perturbaciones superficiales, también pueden proporcionar información útil sobre geodesia, la rama de la ciencia que estudia 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 dentro de 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 configurados en anillo--detalla Belfi--. Nuestros interferómetros están hechos típicamente de tres o cuatro espejos que forman un circuito cerrado para dos haces ópticos que se propagan a lo largo del bucle. Debido a su efecto Sagnac, un interferómetro de anillo es un detector de velocidad angular extremadamente preciso. Esto es esencialmente un giroscopio".

El enfoque del equipo permitió la primera instalación subterránea profunda de un RLG ultrasensible de gran formato capaz de medir la tasa de rotación de la Tierra con una resolución máxima de 30 picoradianes/segundo. "Una peculiaridad de la instalación de GINGERino es que está intencionalmente ubicada dentro de una zona de alta sismicidad del centro de Italia --apunta Belfi--. A diferencia de otras grandes instalaciones RLG, GINGERino puede explorar las rotaciones sísmicas inducidas por los 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 --explica Belfi--. Así que, para maniobrar alrededor de este problema, encerramos el RLG dentro de una cámara de aislamiento y elevamos la temperatura interna de la cámara mediante un conjunto de lámparas infrarrojas suministradas con un voltaje constante".

Al hacerlo, el equipo fue capaz de bajar la humedad relativa hasta el 60 por ciento. "No se degradó significativamente la estabilidad térmica natural de la localización subterránea, lo que nos permite mantener la longitud de la cavidad de GINGERino estable hasta dentro de una longitud de onda de láser (633 nanómetros) durante varios días", dice.

GINGERino ahora está operando, junto con equipos sísmicos aportados por el Instituto Italiano de Geofísica y Volcanología, como un observatorio sísmico rotatorio. "GINGERino y un sismómetro de banda ancha co-localizados permiten recoger, a través de una sola estación, información sobre la fase de velocidad de la onda sísmica de superficie que en la sismología estándar requiere el uso de grandes matrices de sismómetros", concluye Belfi.