[論文レビュー] Analytical Estimate of Atmospheric Newtonian Noise Generated by Acoustic and Turbulent Phenomena in Laser-Interferometric Gravitational Waves Detectors

Carlo Cafaro, S. A. Ali|ArXiv.org|Jun 26, 2009

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 15被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、音響的および乱流的大気現象に起因するレーザー干渉計重力波検出器における大気的ニュートニアンノイズを解析的に推定する。音波伝播の理論的モデルとリヒトリアンの乱流ノイズ源を用いて、スペクトル的加速度揺動を導出し、両方のノイズ源がVIRGOの感度閾値より少なくとも3桁小さいことが判明し、低周波数帯域における検出への影響は最小限であることが示された。

ABSTRACT

We present a theoretical estimate of the atmospheric Newtonian noise due to fluctuations of atmospheric mass densities generated by acoustic and turbulent phenomena and we determine the relevance of such noise in the laser-interferometric detection of gravitational waves. First, we consider the gravitational coupling of interferometer test-masses to fluctuations of atmospheric density due to the propagation of sound waves in a semispace occupied by an ideal fluid delimited by an infinitely rigid plane. We present an analytical expression of the spectrum of acceleration fluctuations of the test-masses of the interferometer in terms of the experimentally obtainable spectrum of pressure fluctuations. Second, we consider the gravitational coupling of interferometer test-masses to fluctuations of atmospheric density due to the propagation of sound waves generated in a turbulent Lighthill process. We present an analytical expression - in the Fourier space - of the spectrum of acceleration fluctuations of the test-masses of the interferometer. Finally, we discuss the relevance of these noise sources in the detection of gravitational waves by comparing the estimated spectral densities of Newtonian atmospheric noises considered here to the expected sensitivity curve of the VIRGO detector.

研究の動機と目的

• レーザー干渉計重力波検出器における音響的および乱流的大気揺動に起因する大気的ニュートニアンノイズを定量化すること。
• 特に低周波数帯域において、このようなノイズ源がVIRGOのような検出器の感度を制限する要因となるかどうかを評価すること。
• 大気の質量密度揺動に起因する加速度揺動のスペクトル密度に関する解析的式を導出すること。
• 推定されたノイズレベルをVIRGOの感度曲線と比較し、実用的意義を評価すること。
• 半無限の流体領域における直接的な音波伝播およびリヒトリアンの乱流ノイズ生成メカニズムをモデル化すること。

提案手法

• 剛性平面に囲まれた半無限の理想流体内における線形化ニュートン重力によるテスト質量と大気密度揺動の重力的結合を導出する。
• フーリエ空間解析を用いて、加速度揺動のパワー・スペクトル密度を測定可能な圧力揺動スペクトルの関数として表現する。
• リヒトリアンの乱流流れからの音響放射理論を適用し、サイズLの乱流領域における音の生成をモデル化する。
• コルモゴロフの乱流理論を用いて乱流速度揺動のエネルギースペクトルをモデル化し、それによるニュートニアンノイズスペクトルを導出する。
• コルモゴロフ定数、粘性係数、密度を含む導出式を用いて、大気的ニュートニアンノイズの歪み振幅を評価する。
• 標準的大気パラメータを用いて導出されたスペクトル式の数値積分を実行し、その結果をVIRGOの感度曲線と比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 半無限の流体領域における大気圧および密度揺動に起因する加速度揺動の解析的スペクトル密度は何か？
• RQ2 乱流空気中でリヒトリアン過程により生成される音波に起因するニュートニアンノイズは、VIRGO検出器の感度と比べてどの程度か？
• RQ3 音響的および乱流的大気現象は、地上重力波検出器における重力勾配ノイズにどの程度寄与するか？
• RQ4 実験的に測定可能な圧力揺動スペクトルを用いて、大気的ニュートニアンノイズを解析的に推定できるか？
• RQ5 大気的ニュートニアンノイズは、VIRGOのような検出器における低周波数重力波検出の制限要因となるか？

主な発見

• 解析的モデルは、剛性境界を持つ半無限の流体内において、加速度揺動のスペクトル密度を実験的に測定可能な圧力揺動スペクトルに関連付けることに成功した。
• 直接的な音波結合の場合、4–10 Hz帯域において推定された大気的ニュートニアンノイズは、VIRGOの感度曲線より少なくとも2桁小さい。
• リヒトリアンの乱流プロセスによるノイズ生成の場合、推定された大気的ニュートニアンノイズの歪み振幅は360 Hzで約10⁻²³ /√Hzである。
• このリヒトリアン生成ノイズは、360 HzにおけるVIRGOの感度（約1.1×10⁻²⁰ /√Hz）より少なくとも3桁小さいため、無視できる影響である。
• 数値評価にはコルモゴロフ定数9.85と標準的大気パラメータが用いられ、低ノイズ結論の堅牢性が確認された。
• 本研究は、音響的および乱流的大気源に起因する大気的ニュートニアンノイズが、VIRGOの低周波数帯域における感度を制限する要因ではないと結論づけた。