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

Résumé technique : Estimation du bruit newtonien infrasonore sur le site candidat de l'Einstein Telescope à Sos Enattos

Énoncé du problème
L'Einstein Telescope (ET), un projet d'observatoire d'ondes gravitationnelles de troisième génération, vise à étendre sa bande d'observation vers les basses fréquences (1–10 Hz) pour détecter les fusions de trous noirs massifs et les phases d'inspiral précoce. Cependant, la sensibilité dans cette gamme est fondamentalement limitée par le bruit environnemental, plus précisément le bruit newtonien (NN), également appelé bruit de gradient de gravité. Le NN provient des fluctuations temporelles du champ gravitationnel local causées par le mouvement de masses environnementales, y compris les perturbations de la densité atmosphérique. Contrairement à d'autres sources de bruit, le NN ne peut être atténué par des systèmes d'isolation conventionnels. Bien que le site de Sos Enattos en Sardaigne, Italie, soit un candidat de premier plan pour l'ET en raison de sa faible sismicité et de son faible bruit anthropique, la variabilité saisonnière de l'infrason atmosphérique et sa contribution dépendante de la profondeur au NN à ce site spécifique restaient insuffisamment caractérisées.

Méthodologie
L'étude présente une analyse exhaustive et à long terme de mesures d'infrasons menées à la mine de Sos Enattos à l'aide d'un réseau de capteurs déployés à trois profondeurs distinctes :

• SOE0 : Station de surface (400 m au-dessus du niveau de la mer).
• SOE1 : Station souterraine à −84 m.
• SOE3 : Station souterraine à −160 m.

Les données ont été collectées sur plusieurs saisons (allant de novembre 2022 à avril 2025) à l'aide de microphones à condensateur, incluant des unités de référence GRAS 47AC et des capteurs développés sur mesure. L'analyse a impliqué :

1. Analyse spectrale et statistique : Calcul de la densité spectrale d'amplitude (ASD) et des fonctions de répartition cumulative (CDF) pour caractériser la variabilité temporelle et la modulation saisonnière.
2. Corrélation environnementale : Synchronisation des données d'infrasons avec les variables météorologiques (vitesse du vent, pression atmosphérique, température, humidité relative) provenant d'une station proche et des données de vagues marines (hauteur significative des vagues) issues de la réanalyse du service de surveillance de l'environnement marin de Copernicus.
3. Estimation du NN : Conversion des fluctuations de pression acoustique mesurées en perturbations locales de la densité de l'air via l'approximation acoustique linéaire. L'accélération gravitationnelle résultante agissant sur une masse d'essai a été intégrée numériquement sur un volume de caverne modélisé (10 m × 10 m × 15 m, excluant une tour à vide). L'accélération a ensuite été convertie en amplitude de densité spectrale équivalente à déformation ($S_h^{1/2}$) pour une longueur de bras de 10 km, permettant une comparaison directe avec la courbe de sensibilité de conception de l'ET-D.

Contributions clés et résultats

• Variabilité saisonnière : Le fond infrasonique présente une modulation saisonnière robuste. Les niveaux hivernaux dépassent systématiquement les valeurs estivales de 10 à 15 dB à 1 Hz, principalement sous l'effet de l'augmentation de l'activité éolienne et des perturbations atmosphériques à l'échelle synoptique.
• Facteurs environnementaux : La vitesse du vent est identifiée comme le facteur dominant contrôlant la variabilité des infrasons dans toutes les stations. La pression atmosphérique et les microbaromes marins (corrélés à la hauteur des vagues) présentent des effets secondaires, particulièrement en surface. L'humidité relative et la température jouent des rôles mineurs, leurs effets étant largement confinés aux mesures de quasi-surface.
• Dépendance à la profondeur : Une atténuation claire des infrasons avec la profondeur est observée. À la surface (SOE0), la déformation caractéristique médiane atteint $\sim 10^{-22}$ à 1 Hz. À la station la plus profonde (SOE3, −160 m), cette valeur diminue à $\sim 10^{-27}$, ce qui représente une suppression d'environ cinq ordres de grandeur.
• Impact du NN :
  • Surface (SOE0) : Bien que la contribution médiane du NN reste inférieure à la courbe de sensibilité de conception de l'ET-D, les périodes de bruit élevé (95e percentile) peuvent dépasser la courbe de conception entre environ 3 Hz et 10 Hz.
  • Souterrain (SOE3) : Le NN estimé reste bien en dessous de la courbe de sensibilité de conception de l'ET-D sur toute la bande de fréquence de 1 à 10 Hz, même dans des conditions environnementales défavorables.

Signification et affirmations
Les auteurs concluent que l'infrason atmosphérique ne constitue pas une source de bruit limitante pour les détecteurs d'ondes gravitationnelles souterrains sur le site de Sos Enattos, à condition que l'instrumentation soit déployée à une profondeur suffisante. L'étude démontre que l'atténuation marquée des infrasons induits par le NN avec la profondeur atténue efficacement l'impact des pics de perturbations atmosphériques de surface. Ces résultats soutiennent la pertinence de Sos Enattos en tant que site candidat pour l'Einstein Telescope et renforcent l'importance critique du déploiement souterrain et de la surveillance environnementale continue pour atteindre les objectifs de sensibilité aux basses fréquences. Les résultats confirment que la contribution atmosphérique au NN est gérable sur ce site, contrairement à l'environnement de surface où elle pose un défi potentiel lors des périodes de bruit élevé.