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

技术摘要：爱因斯坦望远镜候选场址 Sos Enattos 的次声波牛顿噪声估算

问题陈述
爱因斯坦望远镜（ET）是拟建的第三代引力波天文台，旨在将观测频带扩展至低频范围（1–10 Hz），以探测大质量黑洞并合及早期旋进阶段。然而，该频段的灵敏度从根本上受到环境噪声，特别是牛顿噪声（NN，亦称为引力梯度噪声）的限制。NN 源于由移动的环境质量（包括大气密度扰动）引起的局部引力场随时间的变化。与其它噪声源不同，NN 无法通过常规的隔离系统进行屏蔽。虽然位于意大利撒丁岛的 Sos Enattos 场址因其低地震活动性和低人为噪声而被视为 ET 的领先候选场址，但该特定位置大气次声波的季节性变化及其对 NN 的深度相关贡献仍缺乏充分的表征。

研究方法
本研究对在 Sos Enattos 矿区利用部署在三个不同深度的传感器网络所进行的长期次声波测量进行了全面分析：

• SOE0： 地表站（海拔 400 米）。
• SOE1： 地下站（深度 −84 米）。
• SOE3： 地下站（深度 −160 米）。

数据收集周期跨越多个季节（从 2022 年 11 月到 2025 年 4 月），使用了包括参考级 GRAS 47AC 型号和自主研发传感器在内的电容式麦克风。分析过程包括：

1. 频谱与统计分析： 计算振幅谱密度（ASD）和累积分布函数（CDF），以表征时间变率和季节性调制。
2. 环境相关性： 将次声波数据与来自附近气象站的气象变量（风速、大气压、温度、相对湿度）以及来自 Copernicus 海洋环境监测服务重分析数据的海洋波浪数据（有效波高）进行同步。
3. NN 估算： 利用线性声学近似法，将测得的声压波动转换为局部空气密度扰动。随后，将产生的引力加速度在模拟的洞室体积（10 m × 10 m × 15 m，不含真空塔）内进行数值积分。所得加速度随后被转换为对于 10 km 臂长而言的应变等效振幅谱密度（$S_h^{1/2}$），以便直接与 ET-D 设计灵敏度曲线进行比较。

主要贡献与结果

• 季节性变化： 次声波背景表现出显著的季节性调制。由于风活动增加和天气尺度大气扰动的驱动，冬季水平在 1 Hz 处始终高于夏季水平 10 到 15 dB。
• 环境驱动因素： 风速被确定为控制所有站点次声波变率的主导因素。大气压力和海洋微波暴（与波高相关）表现出次要影响，尤其是在地表。相对湿度和温度的作用较小，且其影响主要局限于近地表测量。
• 深度依赖性： 观察到次声波随深度增加而衰减的现象。在地表（SOE0）处，中值特征应变在 1 Hz 时达到 $\sim 10^{-22}$。在最深处的站点（SOE3，−160 m），该值降至 $\sim 10^{-27}$，代表了约五个数量级的抑制。
• 牛顿噪声影响：
  • 地表 (SOE0)： 虽然中值 NN 贡献保持在 ET-D 设计灵敏度曲线之下，但在高噪声时期（第 95 百分位数），在约 3 Hz 至 10 Hz 之间会超过设计曲线。
  • 地下 (SOE3)： 在整个 1 至 10 Hz 频段内，即使在不利的环境条件下，估算的 NN 也远低于 ET-D 设计灵敏度曲线。

意义与结论
作者得出结论：只要部署深度足够，大气次声波不会构成 Sos Enattos 场址地下引力波探测器的限制性噪声源。研究表明，次声波诱发的 NN 随深度的强烈衰减有效地减轻了峰值地表大气扰动的影响。这些发现支持了 Sos Enattos 作为爱因斯坦望远镜候选场址的适用性，并强调了地下部署以及持续环境监测对于实现低频灵敏度目标的关键重要性。结果证实，该场址的大气贡献型 NN 是可控的，而在地表环境下，由于存在潜在挑战，该噪声在某些高噪声时期可能构成问题。