L'emplacement du gyroscope laser annulaire GINGERino dans les laboratoires souterrains de l'INFN au Gran Sasso, Italie. Crédit :Belfi et al.
Des chercheurs italiens espèrent mesurer la rotation de la Terre à l'aide d'un gyroscope à laser logé profondément sous terre, avec suffisamment de précision expérimentale pour révéler les effets mesurables de la théorie de la relativité générale d'Einstein. La technologie du gyroscope laser annulaire (RLG) permettant ces mesures terrestres fournit, contrairement à ceux réalisés en référençant des objets célestes, informations de rotation inertielle, révélant des fluctuations du taux de rotation à partir du référentiel mis à la terre.
Un groupe des Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) de l'Institut national italien de physique nucléaire (INFN) travaille sur un programme de recherche visant à mesurer la précession gyroscopique subie par la Terre en raison d'un effet relativiste appelé effet Lense-Thirring. Ce programme, appelés Gyroscopes en Relativité Générale (GINGER), utiliserait éventuellement un tableau de ces RLGS hautement sensibles. Pour l'instant, ils ont démontré avec succès son prototype, GINGEMBRE, et acquis une multitude de mesures sismiques supplémentaires nécessaires à leurs efforts.
Dans le journal de cette semaine Examen des instruments scientifiques , le groupe rapporte l'installation réussie de l'instrument GINGERino à axe unique à l'intérieur du laboratoire souterrain LNGS de l'INFN, et sa capacité à détecter le mouvement de rotation local du sol.
Finalement, GINGER vise à mesurer le vecteur de vitesse de rotation de la Terre avec une précision relative supérieure à une partie par milliard pour voir les minuscules effets de Lense-Thirring.
"Cet effet est détectable comme une petite différence entre la valeur du taux de rotation de la Terre mesurée par un observatoire au sol, et la valeur mesurée dans un référentiel inertiel, " a déclaré Jacopo Belfi, auteur principal et chercheur travaillant pour la section Pise de l'INFN. "Cette petite différence est générée par la masse et le moment angulaire de la Terre et a été prévue par la théorie de la relativité générale d'Einstein. Du point de vue expérimental, il faut mesurer le vecteur du taux de rotation de la Terre avec une précision relative meilleure qu'une partie par milliard, correspondant à une résolution absolue du taux de rotation de 10-14 [radians par seconde].
Le gyroscope laser annulaire GINGERino, qui est une cavité carrée d'une longueur de côté de 3,6 mètres. Crédit :Belfi et al.
L'implantation souterraine de ces systèmes est indispensable pour s'éloigner suffisamment des perturbations externes de l'hydrologie, changements de température ou de pression barométrique pour effectuer ces types de mesures sensibles.
Ce prototype pilote devrait révéler des informations uniques sur la géophysique, mais, selon Belfi, « les installations souterraines des grands RLG, exempt de perturbations de surface, peut également fournir des informations utiles sur la géodésie, la branche de la science traitant de la forme et de la superficie de la Terre. »
L'objectif ultime de GINGERino est d'atteindre une précision relative d'au moins une partie par milliard, dans quelques heures, pour intégrer les informations moins précises sur la rotation changeante de la Terre fournies par les données du système de positionnement global et les mesures astronomiques du système international de rotation de la Terre.
"Les RLG sont essentiellement des interféromètres optiques actifs en configuration en anneau, " a déclaré Belfi. "Nos interféromètres sont généralement constitués de trois ou quatre miroirs qui forment une boucle fermée pour deux faisceaux optiques se propageant en sens inverse le long de la boucle. En raison de l'effet Sagnac, un interféromètre en anneau est un détecteur de vitesse angulaire extrêmement précis. C'est essentiellement un gyroscope."
L'approche du groupe a permis la première installation souterraine profonde d'un RLG ultrasensible à grand format capable de mesurer la vitesse de rotation de la Terre avec une résolution maximale de 30 picorads/seconde.
Décharge radiofréquence du laser annulaire GINGERino. Un plasma hélium-néon est généré au milieu d'un côté de l'anneau à travers un capillaire en pyrex. Crédit :Belfi et al.
"Une particularité de l'installation GINGERino est qu'elle est intentionnellement située dans une zone à forte sismicité du centre de l'Italie, " a déclaré Belfi. " Contrairement à d'autres grandes installations RLG, GINGERino peut réellement explorer les rotations sismiques induites par les tremblements de terre à proximité."
L'un des plus grands défis lors de l'installation de GINGERino a été de contrôler l'humidité relative naturelle, qui était au-dessus de 90 pour cent.
"Avec ce taux d'humidité, le fonctionnement à long terme de l'électronique de GINGERino ne serait pas viable, " a déclaré Belfi. " Alors pour contourner ce problème, nous avons enfermé le RLG dans une chambre d'isolement et augmenté la température interne de la chambre via un ensemble de lampes infrarouges alimentées en tension constante."
En faisant cela, le groupe a réussi à réduire l'humidité relative à 60 pour cent. "Cela n'a pas considérablement dégradé la stabilité thermique naturelle de l'emplacement souterrain, ce qui nous permet de maintenir la longueur de cavité de GINGERino stable à une longueur d'onde laser (633 nanomètres) près pendant plusieurs jours, " il a dit.
GINGERino est maintenant opérationnel, ainsi que des équipements sismiques fournis par l'Institut italien de géophysique et de volcanologie, comme observatoire sismique rotatif.
« GINGERino et un sismomètre large bande co-localisé permettent de récupérer, via une seule station, des informations sur la vitesse de phase de l'onde de surface sismique qui, en sismologie standard, nécessite l'utilisation de grands réseaux de sismomètres, ", a déclaré Belfi.
