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

Sintesi Tecnica: Stima del Rumore Newtoniano da Infrasuoni presso il Sito Candidato per l'Einstein Telescope Sos Enattos

Problematica
L'Einstein Telescope (ET), un proposto osservatorio di terza generazione per onde gravitazionali, mira ad estendere la sua banda osservativa alle basse frequenze (1–10 Hz) per rilevare fusioni di buchi neri massicci e fasi di inspirale precoce. Tuttavia, la sensibilità in questo intervallo è fondamentalmente limitata dal rumore ambientale, specificamente dal rumore Newtoniano (NN), noto anche come rumore del gradiente di gravità. Il NN deriva da fluttuazioni temporali nel campo gravitazionale locale causate da masse ambientali in movimento, incluse le perturbazioni della densità atmosferica. A differenza di altre sorgenti di rumore, il NN non può essere schermato mediante sistemi di isolamento convenzionali. Sebbene il sito di Sos Enattos, in Sardegna, Italia, sia un principale candidato per l'ET grazie alla sua bassa sismicità e al basso rumore antropico, la variabilità stagionale dell'infrasuono atmosferico e il suo contributo dipendente dalla profondità al NN in questa specifica località rimanevano insufficientemente caratterizzati.

Metodologia
Lo studio presenta un'analisi completa e a lungo termine delle misurazioni infrasoniche condotte presso la miniera di Sos Enattos utilizzando una rete di sensori dispiegati a tre diverse profondità:

• SOE0: Stazione superficiale (400 m sopra il livello del mare).
• SOE1: Stazione sotterranea a −84 m.
• SOE3: Stazione sotterranea a −160 m.

I dati sono stati raccolti su più stagioni (dal novembre 2022 all'aprile 2025) utilizzando microfoni a condensatore, inclusi modelli GRAS 47AC di riferimento e sensori sviluppati su misura. L'analisi ha previsto:

1. Analisi Spettrale e Statistica: Calcolo della Densità Spettrale di Ampiezza (ASD) e delle Funzioni di Distribuzione Cumulata (CDF) per caratterizzare la variabilità temporale e la modulazione stagionale.
2. Correlazione Ambientale: Sincronizzazione dei dati infrasonici con variabili meteorologiche (velocità del vento, pressione atmosferica, temperatura, umidità relativa) da una stazione vicina e dati sulle onde marine (Altezza Significativa dell'Onda) dal reanalisi del Copernicus Marine Environment Monitoring Service.
3. Stima del NN: Conversione delle fluttuazioni di pressione acustica misurate in perturbazioni locali della densità dell'aria tramite l'approssimazione lineare-acustica. La risultante accelerazione gravitazionale che agisce su una massa di prova è stata numericamente integrata su un volume di caverna modellato (10 m × 10 m × 15 m, escludendo una torre del vuoto). L'accelerazione è stata poi convertita in densità spettrale di ampiezza equivalente a strain ($S_h^{1/2}$) per un braccio di 10 km, permettendo il confronto diretto con la curva di sensibilità di design ET-D.

Contributi Chiave e Risultati

• Variabilità Stagionale: Il fondo infrasonico mostra una robusta modulazione stagionale. I livelli invernali superano costantemente quelli estivi di 10 o 15 dB a 1 Hz, principalmente a causa dell'aumento dell'attività del vento e delle perturbazioni atmosferiche su scala sinottica.
• Driver Ambientali: La velocità del vento è identificata come il fattore dominante che controlla la variabilità infrasonica in tutte le stazioni. La pressione atmosferica e i microbaromi marini (correlati all'altezza delle onde) mostrano effetti secondari, in particolare in superficie. L'umidità relativa e la temperatura giocano ruoli minori, con effetti ampiamente confinati alle misurazioni vicino alla superficie.
• Dipendenza dalla Profondità: Si osserva una chiara attenuazione dell'infrasuono con la profondità. In superficie (SOE0), lo strain caratteristico mediano raggiunge circa $10^{-22}$ a 1 Hz. Nella stazione più profonda (SOE3, −160 m), questo valore scende a circa $10^{-27}$, rappresentando una soppressione di circa cinque ordini di grandezza.
• Impatto del Rumore Newtoniano (NN):
  • Superficie (SOE0): Sebbene il contributo mediano del NN rimanga al di sotto della curva di sensibilità di design ET-D, i periodi di alto rumore (95° percentile) possono superare la curva di design tra circa 3 Hz e 10 Hz.
  • Sotterraneo (SOE3): Il NN stimato rimane ben al di sotto della curva di sensibilità di design ET-D in l'intero intervallo di frequenza da 1 a 10 Hz, anche in condizioni ambientali sfavorevoli.

Significatività e Conclusioni
Gli autori concludono che l'infrasuono atmosferico non costituisce una sorgente di rumore limitante per i rivelatori di onde gravitazionali sotterranei presso il sito di Sos Enattos, a condizione che l'instrumentazione sia dispiegata a una profondità sufficiente. Lo studio dimosta che la forte attenuazione del NN indotto dall'infrasuono con la profondità mitiga efficacemente l'impatto delle perturbazioni atmosferiche superficiali di picco. Questi risultati supportano l'idoneità di Sos Enattos come sito candidato per l'Einstein Telescope e rafforzano l'importanza critica del dispiegamento sotterraneo e del monitoraggio ambientale continuo per raggiungere gli obiettivi di sensibilità alle basse frequenze. I risultati confermano che il contributo atmosferico al NN è gestibile in questo sito, a differenza dell'ambiente superficiale dove rappresenta una potenziale sfida durante i periodi di alto rumore.