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

Technische Samenvatting: Schatting van Newtoniaanse Infrasone Ruis bij de Einstein-Telescoop Kandidaatslocatie Sos Enattos

Probleemstelling
De Einstein-Telescoop (ET), een voorgestelde gravitatiegolfobservatorium van de derde generatie, beoogt het observationele bandbreedte uit te breiden naar lage frequenties (1–10 Hz om massieve zwarte gat-fusies en vroege inspiralfasen te detecteren. De gevoeligheid in dit bereik wordt echter fundamenteel beperkt door omgevingsruis, specifiek Newtoniaanse ruis (NN), ook wel bekend als zwaartekrachtgradiëntruis. NN ontstaat door tijdsafhankelijke fluctuaties in het lokale zwaartekrachtsveld veroorzaakt door bewegende omgevingsmassa's, waaronder atmosferische dichtheidsperturbaties. In tegenstelling tot andere ruisbronnen kan NN niet worden afgeschermd door conventionele isolatiesystemen. Hoewel de locatie Sos Enattos in Sardinië, Italië, een leidende kandidaat is voor de ET vanwege de lage seismiciteit en antropogene ruis, bleef de seizoensgebonden variabiliteit van atmosferische infrasoon en de diepteafhankelijke bijdrage aan NN op deze specifieke locatie onvoldoende gekarakteriseerd.

Methodologie
De studie presenteert een uitgebreide, langdurige analyse van infrasoonmetingen uitgevoerd bij de Sos Enattos-mijn met behulp van een netwerk van sensoren die zijn geplaatst op drie verschillende dieptes:

• SOE0: Oppervlaktestation (400 m boven zeeniveau).
• SOE1: Ondergronds station op −84 m.
• SOE3: Ondergronds station op −160 m.

Gegevens werden verzameld over meerdere seizoenen (van november 2022 tot april 20�5) met behulp van condensatormicrofoons, inclus\u00adief referentie-units van het type GRAS 47AC en zelfontwikkelde sensoren. De analyse omvatte:

1. Spectrale en Statistische Analyse: Berekening van de Amplitude Spectral Density (ASD) en de cumulatieve distributiefuncties (CDF's) om de temporele variabiliteit en seizoensgebonden modulatie te karakteriseren.
2. Omgevingscorrelatie: Synchronisatie van infrasoongegevens met meteorologische variabelen (windsnelheid, atmosferische druk, temperatuur, relatieve vochtigheid) van een nabijgelegen station en mariene golfgegevens (Significant Wave Height) van de Copernicus Marine Environment Monitoring Service reanalyse.
3. NN-Schatting: Omzetting van gemeten akoestische drukfluctuaties naar lokale luchtdichtheidsperturbaties via de lineair-akoestische benadering. De resulterende zwaartekrachtversnelling werkend op een testmassa werd numeriek geïntegreerd over een gemodelleerd holtevolume (10 m × 10 m × 15 m, exclusief een vacuümtoren). De versnelling werd vervolgens omgezet naar een strain-equivalent amplitude spectral density ($S_h^{1/2}$) voor een armlengte van 10 km, wat een directe vergelijking met de ET-D design sensitiviteitscurve mogelijk maakt.

Belangrijkste Bijdragen en Resultaten

• Seizoensgebonden Variabiliteit: De infrasoonachtergrond vertoont een robuuste seizoensgebonden modulatie. Winterwaarden overtreffen zomerwaarden consistent met 10 tot 15 dB bij 1 Hz, primair gedreven door toegenomen windactiviteit en synoptische atmosferische verstoringen.
• Omgevingsfactoren: Windsnelheid is geïdentificeerd als de dominante factor die de infrasoonvariabiliteit over alle stations controleert. Atmosferische druk en mariene microbaromen (gecorreleerd met golfhoogte) vertonen secundaire effecten, met name aan het oppervlak. Relatieve vochtigheid en temperatuur spelen een ondergeschikte rol, waarbij de effecten grotendeels beperkt zijn tot metingen nabij het oppervlak.
• Diepteafhankelijkheid: Een duidelijke attenuatie van infrasoon met de diepte wordt waargenomen. Aan het oppervlak (SOE0) bereikt de mediane karakteristieke strain $\sim 10^{-22}$ bij 1 Hz. Bij het diepste station (SOE3, −160 m) daalt deze waarde naar $\sim 10^{-27}$, wat een onderdrukking van ongeveer vijf ordes van grootte vertegenwoordigt.
• Impact van Newtoniaanse Ruis:
  • Oppervlak (SOE0): Hoewel de mediane NN-bijdrage onder de ET-D design sensitiviteitscurve blijft, kunnen perioden met hoge ruis (95e percentiel) de designcurve overschrijden tussen ongeveer 3 Hz en 10 Hz.
  • Ondergronds (SOE3): De geschatte NN blijft ruim onder de ET-D design sensitiviteitscurve in het gehele frequentiebereik van 1 tot 10 Hz, zelfs onder ongunstige omgevingsomstandigheden.

Betekenis en Claims
De auteurs concluderen dat atmosferische infrasoon geen limiterende ruisbron vormt voor ondergrondse gravitatiegolfdetectoren op de locatie Sos Enattos, mits de instrumentatie op voldoende diepte wordt geplaatst. De studie toont aan dat de sterke attenuatie van infrasoon-geïnduceerde NN met de diepte de impact van piek atmosferische verstoringen aan het oppervlak effectief mitigeert. Deze bevindingen ondersteunen de geschiktheid van Sos Enattos als kandidaatslocatie voor de Einstein-Telescoop en benadrukken het cruciale belang van ondergrondse plaatsing en voortgezette omgevingsmonitoring voor het bereiken van lage-frequentie sensitiviteitsdoelen. De resultaten bevestigen dat de atmosferische bijdrage aan NN beheersbaar is op deze locatie, in tegenstelling tot de omgeving aan het oppervlak waar het een potentiële uitdaging vormt tijdens perioden met hoge ruis.