Astronomiczny Obiekt Miesiąca: Listopad 2023

< poprzedni Archiwum następny >

Burze na Ziemi a detekcja fal grawitacyjnych

Mierzone przez zespół z OA UJ fale elektromagnetyczne ekstremalnie niskich częstości (0.03 Hz - 300 Hz; ELF - patrz Ilustracje 1 i 2) są generowane głównie przez wyładowania elektryczne w centrach burzowych na całym świecie i - zanim zostaną stłumione - obiegają kilkakrotnie glob ziemski w tworzonej przez powierzchnię Ziemi i jonosferę sferycznej wnęce rezonansowej. Jakie mają one znaczenie dla pomiarów fal grawitacyjnych - w podobnym zakresie częstości - interferometrami LIGO w USA, VIRGO we Włoszech, a od tego roku także Kagra w Japonii ? Detektory te mierzą zmiany długości kilkukilometrowych ramion interferometru pod wpływem przechodzącej fali grawitacyjnej z zadziwiającą dokładnością, o wielkość rzędu 1/10000 rozmiaru jądra atomowego. Z drugiej strony wspomniane wyżej impulsy elektromagnetyczne ELF mogą głęboko wnikać pod powierzchnię Ziemi, w tym do wnętrza detektorów fal grawitacyjnych wywierając istotne przy rozpatrywanych dokładnościach siły zakłócające na ich elementy czułe na zmienne pole magnetyczne. Mogą przy tym docierać prawie równocześnie do kilku detektorów fal grawitacyjnych wywołując potencjalnie skorelowane odczyty w ich pomiarach, które mogłyby być interpretowane jako efekt fali grawitacyjnej. Z tego powodu badanie możliwego wpływu fal elektromagnetycznych ELF na pracę detektorów LIGO i VIRGO jest prowadzony z udziałem zespołu z OA UJ już od wielu lat, wykorzystując nasze dokładne pomiary dokonywane w czystym od zaburzeń elektromagnetycznych środowisku. Ostatnia praca z tej tematyki wykorzystująca pomiary w naszej stacji Hylaty w Bieszczadach została opublikowana w ramach międzynarodowego zespołu na początku obecnego roku.

Jak wspomniano wyżej szumy magnetyczne skorelowane w odległościach w skali Ziemi mogą mieć zaburzający wpływ na przyszłe poszukiwania sygnałów fal grawitacyjnych za pomocą naziemnych detektorów interferometrycznych. Dla zbadania takiego możliwego wpływu już przed uruchomieniem fazy pomiarowej O3 obok detektora VIRGO oraz obu detektorów LIGO zainstalowano wysokoczułe magnetometry. Niezależnie zespół z OA UJ udostępnia do tych analiz dane z naszych magnetometrów systemu WERA. Dzięki temu w opublikowanej obecnie pracy mogliśmy przeanalizować w zakresie częstotliwości 1–1000 Hz korelacje magnetyczne sygnałów ELF docierających do detektorów Virgo, obu detektorów LIGO i do stacji Hylaty (do 300 Hz), przy odległościach między stacjami pomiarowymi sięgających od 1100 do 9000 km (patrz przykładowo Ilustracja 3 z omawianej publikacji). W pracy rozważamy wpływ korelacji fluktuacji pola magnetycznego na poszukiwania fal grawitacyjnych w wyniku rezonansów Schumanna (<50 Hz), jak i wyższych częstotliwości powyżej 100 Hz. Pokazujemy, że pojedyncze uderzenia pioruna są prawdopodobnym źródłem obserwowanych korelacji fluktuacji pola magnetycznego w obserwatoriach fal grawitacyjnych i omawiamy niektóre ich cechy. Przewidujemy też ich możliwy wpływ na poszukiwania izotropowego tła fal grawitacyjnych, a także na poszukiwania krótkotrwałych impulsów fal grawitacyjnych, zarówno błysków fal o bez znanej z modeli struktury, jak i sygnałów "modelowanych", jak np. w przypadku koalescencji zwartych układów podwójnych czarnych dziur czy gwiazd neutronowych. Podczas gdy w ostatniej trzeciej fazie obserwacje przeprowadzone przez LIGO i Virgo nie wykazały widocznego wpływu na pomiary skorelowanych wahań pola magnetycznego, to oceniamy, że mogą się one ujawnić w przyszłych obserwacjach ze zwiększoną czułością pomiarów. Przykładowo przy obecnym poziomie sprzężenia magnetycznego rejestrowane sygnały zlewania się gwiazd neutronowych w detektorach trzeciej generacji będą prawdopodobnie zanieczyszczone wieloma skorelowanymi zakłóceniami generowanymi przez pioruny. Dlatego w pracy zasugerowano, aby przyszłe prace nad ulepszeniem detektorów uwzględniły ograniczenie sprzężenia aparatury detektora do impulsów generowanych przez wyładowania burzowe. Na przykład możliwe powinno być zmniejszenie indukowanych impulsami od piorunów prądów w ściankach tuby wiązki laserowej interferometru, które przechodzą przez wrażliwe obszary możliwego sprzężenia magnetycznego w obecnych detektorach. Wskazujemy również, że mierzona dobowa i sezonowa zmienność aktywności wyładowań atmosferycznych może być przydatna w rozróżnianiu korelacji w pomiarach detektorów generowanych przez fale grawitacyjne, od tych wytwarzanych przez wyładowania atmosferyczne.

Obecna praca została zrealizowana w ramach udziału Uniwersytetu Jagiellońskiego w ogólnopolskim konsorcjum POLGRAW koordynującym polski udział w projekcie detekcji fal grawitacyjnych VIRGO.





Oryginalna publikacja:

Kamiel Janssens, Matthew Ball, Robert M. S. Schofield, Nelson Christensen, Raymond Frey, Nick van Remortel, Sharan Banagiri, Michael W. Coughlin, Anamaria Effler, Mark Gołkowski, Jerzy Kubisz and Michał Ostrowski, Correlated 1-1000 Hz magnetic field fluctuations from lightning over earth-scale distances and their impact on gravitational wave searches , Phys. Rev. D, 107, 2004 (2023)

Opisane wyniki są częścią badań prowadzonych w Zakładzie Astrofizyki Wysokich Energii Obserwatorium Astronomicznego Uniwersytetu Jagiellońskiego w Krakowie.


Kontakt:

Michał Ostrowski Obserwatorium Astronomiczne Uniwersytetu Jagiellońskiego M.Ostrowski [@] uj.edu.pl