Infrasound Newtonian Noise Estimation at the Einstein Telescope Candidate Site Sos Enattos

Technischer Zusammenfassung: Schätzung des infraschallbedingten Newtonschen Rauschens am Einstein-Teleskop-Kandidatenstandort Sos Enattos

Problemstellung
Das Einstein-Teleskop (ET), ein geplantes Gravitationswellen-Observatorium der dritten Generation, zielt darauf ab, das Beobachtungsband zu niedrigeren Frequenzen (1–10 Hz) auszuweiten, um Verschmelzungen massiver Schwarzer Löcher und frühe Inspiral-Phasen zu detektieren. Die Sensitivität in diesem Bereich wird jedoch fundamental durch das Umgebungsrauschen begrenzt, insbesondere durch das Newtonsche Rauschen (NN), auch bekannt als Gravitationsgradientenrauschen. NN entsteht durch zeitabhängige Fluktuationen im lokalen Gravitationsfeld, die durch sich bewegende Massen in der Umgebung verursacht werden, einschließlich atmosphärischer Dichtestörungen. Im Gegensatz zu anderen Rauschquellen kann NN nicht durch konventionelle Isolationssysteme abgeschirmt werden. Während der Standort Sos Enattos in Sardinien, Italien, aufgrund seiner geringen Seismizität und anthropogenen Geräusche ein führender Kandidat für das ET ist, blieb die saisonale Variabilität des atmosphärischen Infraschalls und dessen frequenz- bzw. tiefenabhängiger Beitrag zum NN an diesem spezifischen Ort unzureichend charakterisiert.

Methodik
Die Studie präsentiert eine umfassende Langzeitanalyse von Infraschallmessungen, die am Sos Enattos Bergwerk mittels eines Netzwerks von Sensoren in drei verschiedenen Tiefen durchgeführt wurden:

• SOE0: Oberflächenstation (400 m über dem Meeresspiegel).
• SOE1: Untergrundstation bei −84 m.
• SOE3: Untergrundstation bei −160 m.

Die Daten wurden über mehrere Saisons (von November 2022 bis April 2025) unter Verwendung von Kondensatormikrofonen, einschließlich Referenzgeräten vom Typ GRAS 47AC und eigens entwickelten Sensoren, erhoben. Die Analyse umfasste:

1. Spektrale und statistische Analyse: Berechnung der Amplitudenspektraldichte (ASD) und der kumulativen Verteilungsfunktionen (CDFs), um die zeitliche Variabilität und die saisonale Modulation zu charakterisieren.
2. Umweltkorrelation: Synchronisation der Infraschalldaten mit meteorologischen Variablen (Windgeschwindigkeit, Luftdruck, Temperatur, relative Luftfeuchtigkeit) einer nahegelegenen Station sowie Marinen Wellendaten (signifikante Wellenhöhe) aus der Copernicus Marine Environment Monitoring Service Reanalyse.
3. NN-Schätzung: Umrechnung der gemessenen akustischen Druckfluktuationen in lokale Luftdichtestörungen mittels der linear-akustischen Näherung. Die resultierende Gravitationsbeschleunigung, die auf eine Testmasse wirkt, wurde numerisch über ein modelliertes Kavernenvolumen (10 m × 10 m × 15 m, exklusive eines Vakuumturms) integriert. Die Beschleunigung wurde anschließend in eine äquivalente Dehnung-Amplitudenspektraldichte ($S_h^{1/2}$) für eine 10 km lange Armlänge umgerechnet, was einen direkten Vergleich mit der ET-D Design-Sensitivitätskurve ermöglicht.

Wesentliche Beiträge und Ergebnisse

• Saisonale Variabilität: Der Infraschall-Hintergrund zeigt eine robuste saisonale Modulation. Die Winterwerte liegen bei 1 Hz konsistent um 10 bis 15 dB über den Sommerwerten, was primtär durch erhöhte Windaktivität und synoptische atmosphärische Störungen getrieben wird.
• Umweltfaktoren: Die Windgeschwindigkeit wurde als der dominante Faktor identifiziert, der die Infraschall-Variabilität an allen Stationen steuert. Atmosphärischer Druck und marine Mikrobarome (korreliert mit der Wellenhöhe) zeigen sekundäre Effekte, insbesondere an der Oberfläche. Die relative Luftfeuchtigkeit und die Temperatur spielen eine untergeordnete Rolle, wobei deren Effekte weitgehend auf Messungen nahe der Oberfläche beschränkt sind.
• Tiefenabhängigkeit: Es wurde eine klare Dämpfung des Infraschalls mit der Tiefe beobachtet. An der Oberfläche (SOE0) erreicht die mediane charakteristische Dehnung etwa $\sim 10^{-22}$ bei 1 Hz. An der tiefsten Station (SOE3, −160 m) sinkt dieser Wert auf $\sim 10^{-27}$, was einer Unterdrückung von etwa fünf Größenordnungen entspricht.
• Newtonsche Rauscheinflüsse:
  • Oberfläche (SOE0): Während der mediane NN-Beitrag unter der ET-D Design-Sensitivitätskurve bleibt, können Phasen mit hohem Rauschen (95. Perzentil) zwischen etwa 3 Hz und 10 Hz die Designkurve überschreiten.
  • Untergrund (SOE3): Das geschätzte NN bleibt über das gesamte Frequenzband von 1 bis 10 Hz deutlich unter der ET-D Design-Sensitivitätskurve, selbst unter ungünstigen Umweltbedingungen.

Bedeutung und Behauptungen
Die Autoren kommen zu dem Schluss, dass der atmosphärische Infraschall keine limitierende Rauschquelle für unterirdische Gravitationswellendetektoren am Standort Sos Enattos darstellt, sofern die Instrumentierung in ausreichender Tiefe platziert wird. Die Studie zeigt, dass die starke Dämpfung des infraschallbedingten NN mit der Tiefe die Auswirkungen der maximalen Oberflächen-Atmosphärenstörungen effektiv mildert. Diese Ergebnisse stützen die Eignung von Sos Enattos als Kandidatenstandort für das Einstein-Teleskop und unterstreichen die kritische Bedeutung des unterirdischen Einsatzes sowie der kontinuierlichen Umweltüberwachung zur Erreichung der Ziele bei der Niedrigfrequenz-Sensitivität. Die Ergebnisse bestätigen, dass der atmosphärische Beitrag zum NN an diesem Standort handhabbar ist, im Gegensatz zur Umgebung an der Oberfläche, wo er während Phasen hoher Rauschwerte eine potenzielle Herausforderung darstellen kann.