[論文レビュー] Measuring the Earth's gravity field with cold atom interferometers

Olivier Carraz, Christian Siemes+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 12, 2015

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 15被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、将来の地球観測ミッション向けに、超高い精度で重力勾配テンソルと宇宙船の角速度を測定可能な、冷媒原子干渉計（CAI）に基づく重力勾配計を提案している。この装置は、超低で平坦な白色ノイズを実現し、4.7 mE/Hz^1/2の感度と35 prad/s/Hz^1/2未満の回転速度精度を達成している。GOCEを上回る静的重力場分解能を提供するとともに、静電加速計のハイブリッドキャリブレーションによる低周波数ノイズ低減の可能性も示している。

ABSTRACT

The scope of the paper is to propose different concepts for future space gravity missions using Cold Atom Interferometers (CAI) for measuring the diagonal elements of the gravity gradient tensor, the spacecraft angular velocity and the spacecraft acceleration. The aim is to achieve better performance than previous space gravity missions due to a very low white noise spectral behaviour of the CAI instrument and a very high common mode rejection, with the ultimate goals of determining the fine structures of the gravity field with higher accuracy than GOCE and detecting time-variable signals in the gravity field.

研究の動機と目的

• 静的重力場分解能においてGOCEを上回る、宇宙船搭載型冷媒原子干渉計（CAI）重力勾配計の開発を目的とする。
• 1つのCAI装置を用いて、重力勾配テンソルの対角成分すべてと、全角速度ベクトルを測定することを目的とする。
• 低周波数帯域まで平坦で白色のノイズ電力スペクトル密度を実現し、時間変動する重力信号の検出を向上させることを目的とする。
• 静電加速計とハイブリッド化することで、低周波数帯域における色のついたノイズを補正する可能性を検討することを目的とする。
• 微細構造および地球の重力場における時間的変化をモニタリング可能なCAIに基づく重力ミッションの実現可能性を評価することを目的とする。

提案手法

• 冷媒原子のハイパーファイン状態間を駆動する、3つの等間隔に配置されたラマンレーザー脈動を用いたチュ＝ボルデ干渉計を採用する。
• 2次効果を抑制するためのダブルドリフト方式を採用し、感度を2倍に向上させるとともに、光シフトや磁場などの一次効果を低減する。
• 4つの空間的に分離された原子干渉計を用い、原子クラウドに作用するコリオリ効果により、重力勾配と回転速度を同時に測定する。
• 複数の干渉計からの位相測定を組み合わせることで、共通モードノイズを高効率に抑制し、振動や非重力的ノイズをキャンセルする。
• 原子クラウド間の相対的距離と速度の正確な知識を活用し、重力勾配成分（Vxx、Vyy、Vzz）および角速度（ωx、ωy、ωz）を抽出する。
• ラマンミラーをプローブマスに取り付けることで、CAI信号と静電加速計信号を直接比較・キャリブレーション可能とするハイブリッド化を提案する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CAIに基づく重力勾配計は、低周波数帯域で平坦で白色のノイズ電力スペクトル密度を実現し、5 mE/Hz^1/2未満の感度を達成できるか？
• RQ2 GOCEと比較して、CAI測定は地球の静的重力場における微細構造の分解能をどの程度向上できるか？
• RQ3 CAI測定は時間変動する重力信号を十分な感度で検出可能か、それともGRACE型ミッションがより適しているか？
• RQ4 CAIと静電加速計のハイブリッド化は、低周波数帯域におけるスペクトル的に色のついたノイズの補正にどの程度効果的か？
• RQ5 高度、軌道、ミッション期間、姿勢制御などのシステムレベルのパrameterの中で、CAI重力勾配計ミッションの性能に最も顕著に影響を与えるものは何か？

主な発見

• CAI重力勾配計は、4.7 mE/Hz^1/2の感度を達成し、低周波数帯域まで平坦なノイズ電力スペクトル密度を有している。
• 回転速度測定の精度は35 prad/s/Hz^1/2未満に達しており、宇宙船の角速度を高精度で特定可能である。
• 高い共通モードノイズ抑制により、非重力的力が直接測定可能であるため、GOCEと比較してドラッグフリー制御要件を緩和できる。
• 地球重力場モデルの推定において、静的重力場の分解能が向上しているが、時間変動信号を効果的に検出するには顕著な感度向上が必要である。
• 静電加速計とハイブリッド化は、地上実験で有効性が確認されており、低周波数帯域の色のついたノイズを補正可能でありながら、短時間スケールの感度を維持できる。
• スリッピング状態や情報再循環ビームスプリッタを用いた未来の改良により、SNRを最大3桁向上させ、ハイゼンベルク限界に近づける可能性がある。