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

Resumen Técnico: Estimación del Ruido Newtoniano de Infrasonido en el Candidato al Telescopio Einstein, Sos Enattos

Planteamiento del Problema
El Telescopio Einstein (ET), un propuesto observatorio de ondas gravitacionales de tercera generación, tiene como objetivo extender la banda de observación hacia frecuencias bajas (1–10 Hz) para detectar fusiones de agujeros negros masivos y fases de inspiral temprano. Sin embargo, la sensibilidad en este rango está fundamentalmente limitada por el ruido ambiental, específicamente el ruido Newtoniano (NN), también conocido como ruido de gradiente de gravedad. El NN surge de las fluctuaciones temporales en el campo gravitatorio local causadas por masas ambientales en movimiento, incluyendo perturbaciones de la densidad atmosférica. A diferencia de otras fuentes de ruido, el NN no puede ser blindado mediante sistemas de aislamiento convencionales. Si bien el sitio de Sos Enattos en Cerdeña, Italia, es un candidato principal para el ET debido a su baja sismicidad y ruido antropogénico, la variabilidad estacional del infrasonido atmosférico y su contribución dependiente de la profundidad al NN en esta ubicación específica no habían sido caracterizadas suficientemente.

Metodología
El estudio presenta un análisis exhaustivo y a largo plazo de las mediciones de infrasonido realizadas en la mina de Sos Enattos utilizando una red de sensores desplegados en tres profundidades distintas:

• SOE0: Estación de superficie (400 m sobre el nivel del mar).
• SOE1: Estación subterránea a −84 m.
• SOE3: Estación subterránea a −160 m.

Los datos fueron recolectados durante múltiples estaciones (abarcando desde noviembre de 2022 hasta abril de 20 de 2025) utilizando micrófonos de condensador, incluyendo unidades de referencia GRAS 47AC y sensores desarrollados a medida. El análisis involucró:

1. Análisis Espectral y Estadístico: Cálculo de la Densidad Espectral de Amplitud (ASD) y Funciones de Distribución Acumulativa (CDF) para caracterizar la variabilidad temporal y la modulación estacional.
2. Correlación Ambiental: Sincronización de los datos de infrasonido con variables meteorológicas (velocidad del viento, presión atmosférica, temperatura, humedad relativa) de una estación cercana y datos de ondas marinas (Altura Significativa de Ola) del reanálisis del Servicio de Monitoreo del Entorno Marino de Copernicus.
3. Estimación de NN: Conversión de las fluctuaciones de presión acústica medidas en perturbaciones locales de densidad del aire mediante la aproximación acústica lineal. La aceleración gravitatoria resultante actuando sobre una masa de prueba fue integrada numéricamente sobre un volumen de caverna modelado (10 m × 10 m × 15 m, excluyendo una torre de vacío). La aceleración fue luego convertida en una densidad espectral de amplitud equivalente a la deformación ($S_h^{1/2}$) para un brazo de longitud de 10 km, permitiendo la comparación directa con la curva de sensibilidad de diseño del ET-D.

Contribuciones Clave y Resultados

• Variabilidad Estacional: El fondo de infrasonido exhibe una robusta modulación estacional. Los niveles invernales superan consistentemente a los valores estivales por 10 a 15 dB a 1 Hz, impulsados principalmente por el aumento de la actividad del viento y las perturbaciones atmosféricas de escala sinóptica.
• Impulsores Ambientales: La velocidad del viento se identifica como el factor dominante que controla la variabilidad del infrasonido en todas las estaciones. La presión atmosférica y los microbarómetros marinos (correlacionados con la altura de la ola) muestran efectos secundarios, particularmente en la superficie. La humedad relativa y la temperatura juegan roles menores, con efectos mayormente confinados a las mediciones cerca de la superficie.
• Dependencia de la Profundidad: Se observa una clara atenuación del infrasonido con la profundidad. En la superficie (SOE0), la deformación característica mediana alcanza aproximadamente $\sim 10^{-22}$ a 1 Hz. En la estación más profunda (SOE3, −160 m), este valor disminuye a $\sim 10^{-27}$, lo que representa una supresión de aproximadamente cinco órdenes de magnitud.
• Impacto del Ruido Newtoniano (NN):
  • Superficie (SOE0): Aunque la contribución mediana del NN permanece por debajo de la curva de sensibilidad de diseño del ET-D, los periodos de alto ruido (percentil 95) pueden exceder la curva de diseño entre aproximadamente 3 Hz y 10 Hz.
  • Subterráneo (SOE3): El NN estimado permanece muy por debajo de la curva de sensibilidad de diseño del ET-D en todo el rango de frecuencia de 1 a 10 Hz, incluso bajo condiciones ambientales desfavorables.

Significancia y Reivindicaciones
Los autores concluyen que el infrasonido atmosférico no constituye una fuente de ruido limitante para los detectores de ondas gravitacionales subterráneos en el sitio de Sos Enattos, siempre que la instrumentación se despliegue a una profundidad suficiente. El estudio demuestra que la fuerte atenuación del NN inducido por el infrasonido con la profundidad mitiga eficazmente el impacto de las perturbaciones atmosféricas máximas de la superficie. Estos hallazgos respaldan la idoneidad de Sos Enattos como un sitio candidato para el Telescopio Einstein y refuerzan la importancia crítica del despliegue subterráneo y el monitoreo ambiental continuo para alcanzar los objetivos de sensibilidad de baja frecuencia. Los resultados confirman que la contribución atmosférica al NN es manejable en este sitio, a diferencia del entorno de superficie donde plantea un desafío potencial durante los periodos de alto ruido.