[論文レビュー] Characterization of the seismic field at Virgo and improved estimates of Newtonian-noise suppression by recesses

A. Singha, J. Harms+11 more|arXiv (Cornell University)|Jul 10, 2021

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 39被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、49台の地震計アレイを用いて、バービオ重力波検出器のノースエンド建物における地震波の詳細なスペクトル解析を提示する。10–20 Hz帯で100 m/sに達する低いレイリー波位相速度を測定することで、テストマスの下にある掘削されたベーシン構造がニュートニアンノイズを10倍低減することを実証し、将来の検出器の低周波数感度推定値を顕著に向上させる。

ABSTRACT

Fluctuations of gravitational forces cause so-called Newtonian noise (NN) in gravitational-wave (GW) detectors which is expected to limit their low-frequency sensitivity in upcoming observing runs. Seismic NN is produced by seismic waves passing near a detector's suspended test masses. It is predicted to be the strongest contribution to NN. Modeling this contribution accurately is a major challenge. Arrays of seismometers were deployed at the Virgo site to characterize the seismic field near the four test masses. In this paper, we present results of a spectral analysis of the array data from one of Virgo's end buildings to identify dominant modes of the seismic field. Some of the modes can be associated with known seismic sources. Analyzing the modes over a range of frequencies, we provide a dispersion curve of Rayleigh waves. We find that the Rayleigh speed in the NN frequency band 10 Hz - 20 Hz is very low ($\lesssim$100\,m/s), which has important consequences for Virgo's seismic NN. Using the new speed estimate, we find that the recess formed under the suspended test masses by a basement level at the end buildings leads to a 10 fold reduction of seismic NN.

研究の動機と目的

• バービオ検出器のノースエンド建物における地震ノイズの空間的およびスペクトル的特性を特定すること。
• 特にレイリー波を含む支配的地震波モードとその伝播特性を同定すること。
• 10–20 Hz周波数帯におけるレイリー波の分散曲線を測定すること。
• 現場に特有の地震データを用いて、掘削されたテストマス基盤からのニュートニアンノイズ低減を再評価すること。
• ニュートニアンノイズモデルの精緻化を通じて、将来の重力波検出器の低周波数感度推定値を向上させること。

提案手法

• 2週間分のデータを用いて、49台の地震計（38台屋内、11台屋外）の空間的相互スペクトル解析を実施した。
• 相互スペクトル密度行列とフーリエ変換を用いて空間スペクトル（kfマップ）を計算し、波数成分を同定した。
• kfマップのピークモードから位相速度を抽出し、波の伝播特性を推定した。
• 10–20 Hz周波数範囲における位相速度の傾向を分析することで、レイリー波の分散曲線を生成した。
• 測定されたレイリー波速度を用いて、掘削されたテストマス基盤からのニュートニアンノイズ低減を再評価した。
• 測定された地震速度（約100 m/s）を用いて、従来の理論的推定値のノイズ低減を再キャリブレーションした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 10 Hzから20 Hzの周波数帯で、バービオのノースエンド建物に支配的である地震波モードは何か？
• RQ2 これらの周波数帯で、バービオの現場の地下におけるレイリー波の位相速度は何か？
• RQ3 測定されたレイリー波速度は、掘削されたベーシン構造によるニュートニアンノイズ低減にどのように影響するか？
• RQ4 観測された地震波の特性は、ニュートニアンノイズモデルの正確性をどの程度向上させるか？
• RQ5 理論的に予測されたように、掘削されたベーシン構造は低周波数帯でニュートニアンノイズを10倍に低減できるか？

主な発見

• バービオのノースエンド建物におけるレイリー波の位相速度は、10–20 Hz帯で100 m/s未満（≲100 m/s）に測定され、以前のモデルで仮定された250 m/sよりも顕著に低い値であった。
• アレイデータからレイリー波の分散曲線が成功裏に再構築され、明確な周波数依存性が示された。
• 10 Hzで2つの支配的地震モードが特定された：約100 m/sのレイリー波と約km/sのボディ波で、両者ともほぼ同じ方向から到来した。
• レイリー波とボディ波の振幅は時間的に相関しており、共通の地震源を示唆している。
• 測定されたレイリー波速度を用いて、掘削されたベーシンからのニュートニアンノイズ低減を再計算した結果、ノイズパワーが10倍に低減された。
• テストマスの下にある掘削構造は、従来の推定値よりも顕著に強いニュートニアンノイズ低減効果を示し、将来的な検出器における応用が妥当であることが裏付けられた。