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

Resumo Técnico: Estimativa de Ruído Newtoniano de Infrassom no Candidato ao Einstein Telescope, Sos Enattos

Definição do Problema
O Einstein Telescope (ET), um proposto observatório de ondas gravitacionais de terceira geração, visa estender a banda observacional para baixas frequências (1–10 Hz) para detectar fusões de buracos negros massivos e fases de inspiração precoce. No entanto, a sensibilidade nesta faixa é fundamentalmente limitada pelo ruído ambiental, especificamente o ruído Newtoniano (NN), também conhecido como ruído de gradiente de gravidade. O NN surge de flutuações temporais no campo gravitacional local causadas por massas ambientais em movimento, incluindo perturbações na densidade atmosférica. Diferente de outras fontes de ruído, o NN não pode ser blindado por sistemas de isolamento convencionais. Embora o local de Sos Enattos, em Sardenha, Itália, seja um forte candidato para o ET devido à sua baixa sismicidade e ruído antropogênico, a variabilidade sazonal do infrassom atmosférico e sua contribuição dependente da profundidade para o NN neste local específico ainda não haviam sido caracterizadas de forma suficiente.

Metodologia
O estudo apresenta uma análise abrangente e de longo prazo de medições de infrassom conduzidas na mina de Sos Enattos usando uma rede de sensores implantados em três profundidades distintas:

• SOE0: Estação de superfície (400 m acima do nível do mar).
• SOE1: Estação subterrânea a −84 m.
• SOE3: Estação subterrânea a −160 m.
  Os dados foram coletados ao longo de múltiplas estações (abrangendo de novembro de 2022 a abril de 2025) utilizando microfones de condensador, incluindo unidades de referência GRAS 47AC e sensores desenvolvidos sob medida. A análise envolveu:

1. Análise Espectral e Estatística: Cálculo da Densidade Espectral de Amplitude (ASD) e das Funções de Distribuição Acumulada (CDF) para caracterizar a variabilidade temporal e a modulação sazonal.
2. Correlação Ambiental: Sincronização dos dados de infrassom com variáveis meteorológicas (velocidade do vento, pressão atmosférica, temperatura, umidade relativa) de uma estação próxima e dados de ondas marinhas (Altura Significativa de Onda) do reanálise do Copernicus Marine Environment Monitoring Service.
3. Estimativa de NN: Conversão das flutuações de pressão acústica medidas em perturbações de densidade do ar local usando a aproximação acústica linear. A aceleração gravitacional resultante atuando sobre uma massa de teste foi numericamente integrada sobre um volume de caverna modelado (10 m × 10 m × 15 m, excluindo uma torre de vácuo). A aceleração foi então convertida em densidade espectral de amplitude equivalente a strain ($S_h^{1/2}$) para um comprimento de braço de 10 km, permitindo a comparação direta com a curva de sensibilidade de projeto do ET-D.

Principais Contribuições e Resultados

• Variabilidade Sazonal: O fundo de infrassom exibe uma robusta modulação sazonal. Os níveis de inverno são consistentemente superiores aos de verão em 10 a 15 dB a 1 Hz, impulsionados principalmente pelo aumento da atividade do vento e distúrbios atmosféricos de escala sinótica.
• Direcionadores Ambientais: A velocidade do vento é identificada como o fator dominante que controla a variabilidade do infrassom em todas as estações. A pressão atmosférica e os microbarômos marinhos (correlacionados com a altura das ondas) mostram efeitos secundários, particularmente na superfície. A umidade relativa e a temperatura desempenham papéis menores, com efeitos amplamente confinados às medições próximas à superfície.
• Dependência da Profundidade: Uma clara atenuação do infrassom com a profundidade é observada. Na superfície (SOE0), a mediana da deformação característica atinge $\sim 10^{-22}$ a 1 Hz. Na estação mais profunda (SOE3, −160 m), este valor diminui para $\sim 10^{-27}$, representando uma supressão de aproximadamente cinco ordens de magnitude.
• Impacto do Ruído Newtoniano:
  • Superfície (SOE0): Embora a contribuição mediana do NN permaneça abaixo da curva de sensibilidade de projeto do ET-D, períodos de alto ruído (percentil 95) podem exceder a curva de projeto entre aproximadamente 3 Hz e 10 Hz.
  • Subterrâneo (SOE3): O NN estimado permanece bem abaixo da curva de sensibilidade de projeto do ET-D em toda a banda de frequência de 1 a 10 Hz, mesmo sob condições ambientais desfavoráveis.

Significância e Alegações
Os autores concluem que o infrassom atmosférico não constitui uma fonte de ruído limitante para detectores de ondas gravitacionais subterrâneos no local de Sos Enattos, desde que a instrumentação seja implantada em profundidade suficiente. O estudo demonstra que a forte atenuação do NN induzido pelo infrassom com a profundidade mitiga efetivamente o impacto das perturbações atmosféricas de pico na superfície. Estes achados apoiam a adequação de Sos Enattos como um candidato a local para o Einstein Telescope e reforçam a importância crítica do implante subterrâneo e do monitoramento ambiental contínuo para atingir os objetivos de sensibilidade de baixa frequência. Os resultados confirmam que a contribuição atmosférica para o NN é gerenciável neste local, ao contrário do ambiente de superfície, onde ela representa um potencial desafio durante períodos de alto ruído.