Mierzone przez krakowski zespół z OAUJ fale elektromagnetyczne ekstremalnie niskich częstości (ELF) są generowane głównie przez wyładowania elektryczne w centrach burzowych na całym świecie i — zanim zostaną stłumione — obiegają kilkakrotnie glob ziemski w tworzonej przez powierzchnię Ziemi i jonosferę sferycznej wnęce rezonansowej. Okazuje się, że mogą mieć one istotne znaczenie dla badań fal grawitacyjnych interferometrami LIGO w USA, VIRGO we Włoszech, a od tego roku także Kagra w Japonii.
Skrajnie niska częstotliwość ELF (extremely low frequency) to zakres fal radiowych o częstotliwościach z zakresu 3–30 Hz i długości fali od 10 000 do 100 000 kilometrów, wykorzystywany między innymi przez Marynarkę Wojenną Stanów Zjednoczonych i Marynarkę Wojenną Rosji do łączności z zanurzonymi okrętami podwodnymi. Wynika to z faktu, że choć z uwagi na wysokie przewodnictwo elektryczne wody morskiej przekazywanie łodziom podwodnym informacji za pomocą fal elektromagnetycznych jest bardzo utrudnione, najgłębiej docierającymi tam sygnałami są właśnie fale radiowe o ekstremalnie niskiej częstotliwości.
Detektory fal grawitacyjnych mierzą zmiany długości kilkukilometrowych ramion interferometru, zachodzące pod wpływem przechodzącej przez Ziemię fali grawitacyjnej. Są przy tym w stanie zmierzyć bardzo subtelne zmiany z zadziwiającą dokładnością równą jednej dziesięciotysięcznej rozmiaru... jądra atomowego. Z drugiej strony wspomniane impulsy elektromagnetyczne ELF mogą głęboko wnikać pod powierzchnię Ziemi, w tym do wnętrza detektorów fal grawitacyjnych, wywierając istotne przy rozpatrywanych dokładnościach siły zakłócające na ich elementy czułe na zmienne pole magnetyczne. Mogą także docierać prawie równocześnie do kilku detektorów fal grawitacyjnych, wywołując potencjalnie skorelowane odczyty w ich pomiarach, które mogą być interpretowane jako efekt przejścia fali grawitacyjnej. Z tego powodu badanie możliwego wpływu fal elektromagnetycznych ELF na pracę detektorów LIGO i VIRGO jest prowadzone między innymi z udziałem zespołu z OAUJ już od wielu lat, z wykorzystaniem dokładnych pomiarów dokonywanych w czystym od zaburzeń elektromagnetycznych środowisku. Ostatnia praca o tej tematyce, wykorzystująca pomiary rejestrowane przez polską stację Hylaty w Bieszczadach, została opublikowana w ramach międzynarodowej współpracy na początku tego roku.
Jak wspomniano, szumy magnetyczne skorelowane w odległościach w skali Ziemi mogą mieć zaburzający wpływ na przyszłe poszukiwania sygnałów fal grawitacyjnych z pomocą naziemnych detektorów interferometrycznych. W celu zbadania takiego wpływu już przed uruchomieniem fazy pomiarowej O3 obok detektora VIRGO oraz obu detektorów LIGO zainstalowano wysokoczułe magnetometry. Niezależnie zespół z OAUJ udostępnia do tych analiz dane ze swoich magnetometrów systemu WERA. Dzięki temu w opublikowanej niedawno pracy mógł przeanalizować w zakresie częstotliwości 1–1000 Hz korelacje magnetyczne sygnałów ELF docierających do detektorów Virgo, obu detektorów LIGO i do stacji Hylaty (do 300 Hz), przy odległościach między stacjami pomiarowymi sięgających od 1100 do 9000 km.
W pracy zespół rozważa wpływ korelacji fluktuacji pola magnetycznego na poszukiwania fal grawitacyjnych w wyniku istnienia rezonansów Schumanna (<50 Hz), jak i wyższych częstotliwości powyżej 100 Hz. Pokazuje, że pojedyncze uderzenia pioruna są prawdopodobnym źródłem obserwowanych korelacji fluktuacji pola magnetycznego w obserwatoriach fal grawitacyjnych i omawia niektóre ich cechy. Analizuje też ich możliwy wpływ na poszukiwania izotropowego tła fal grawitacyjnych, a także na poszukiwania krótkotrwałych impulsów fal grawitacyjnych, zarówno błysków fal bez znanej z modeli struktury, jak i sygnałów "modelowanych", jak na przykład w przypadku koalescencji zwartych układów podwójnych czarnych dziur czy gwiazd neutronowych.
Podczas gdy w ostatniej, trzeciej fazie obserwacje przeprowadzone przez LIGO i Virgo nie wykazały widocznego wpływu na pomiary skorelowanych wahań pola magnetycznego, zespół ocenia, że mogą się one ujawnić w przyszłych obserwacjach ze zwiększoną czułością pomiarów. Przykładowo, przy obecnym poziomie sprzężenia magnetycznego rejestrowane sygnały zlewania się gwiazd neutronowych w detektorach trzeciej generacji będą prawdopodobnie zanieczyszczone wieloma skorelowanymi zakłóceniami generowanymi przez pioruny. Dlatego w pracy zasugerowano, aby przyszłe prace nad ulepszeniem detektorów uwzględniły ograniczenie sprzężenia aparatury detektora do impulsów generowanych przez wyładowania burzowe. Na przykład możliwe powinno być zmniejszenie indukowanych impulsami od piorunów prądów w ściankach tuby wiązki laserowej interferometru, które przechodzą przez wrażliwe obszary możliwego sprzężenia magnetycznego w obecnych detektorach. Zespół wskazuje również, że mierzona dobowa i sezonowa zmienność aktywności wyładowań atmosferycznych może być przydatna w rozróżnianiu korelacji w pomiarach detektorów generowanych przez fale grawitacyjne od tych wytwarzanych przez wyładowania atmosferyczne.
Obecna praca została zrealizowana w ramach udziału Uniwersytetu Jagiellońskiego w ogólnopolskim konsorcjum POLGRAW koordynującym polski udział w projekcie detekcji fal grawitacyjnych VIRGO.
Czytaj więcej:
Źródło: OAUJ
Opracowanie: Elżbieta Kuligowska
Na ilustracji: Dobowe zmiany widma fluktuacji magnetycznych fal ELF w zakresie od 0,03 do 165 Hz z 15 lutego 2022. Każda pionowa linia to widmo policzone z 75-sekundowej serii pomiarów fluktuacji pola magnetycznego mierzonych nowym magnetometrem ELA11 w stacji pomiarowej Hylaty w Bieszczadach. Dobrze widać poziome pasy kolejnych rezonansów Schumanna na 8, 14, 20, ... Hz we wnęce rezonansowej Ziemia-jonosfera, linię sieci elektrycznej 50 Hz z jej harmoniczną na 150 Hz, słabą linię sieci 60 Hz oraz — po godzinie 10 UT — linię rosyjskiej transmisji wojskowej na 82 Hz. Ciekawostką na tym obrazku są dwa pierwsze szerokie pojaśnienia w paśmie 8-60 Hz, około godziny 5 oraz godziny 9 UT, pokazujące rejestrację silnego sygnału elektromagnetycznego z wybuchu wulkanu Hunga-Tonga. Źródło: Publikacja Zespołu.
