[논문 리뷰] 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|2009. 06. 26.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 15인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 음향 및 난류 대기 현상으로 인한 레이저 간섭계 중력파 탐지기에서의 대기 중 뉴턴력 소음을 분석적으로 추정한다. 음파 전파 이론 모델과 라이트힐의 난류 소음 원천을 사용하여 스펙트럼 가속도 변동을 유도하고, 두 소음 원천이 모두 비르고의 감도 한계 이하로 최소 3개의 지수 차수 낮아지며, 저주파수 대역에서 탐지에 미치는 영향이 미미함을 보여준다.

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.

연구 동기 및 목표

• 레이저 간섭계 중력파 탐지기에서 대기 밀도 변동에 의해 유도되는 대기 중 뉴턴력 소음을 정량화하는 것.
• 특히 저주파수 대역에서 비르고와 같은 탐지기의 감도를 제한하는 데 이러한 소음 원천이 미치는 영향을 평가하는 것.
• 대기 질량 밀도 변동에 의해 유도되는 가속도 변동의 스펙트럼 밀도에 대한 분석적 표현을 유도하는 것.
• 추정된 소음 수준을 비르고의 감도 곡선과 비교하여 실용적 의미를 평가하는 것.
• 반무한 유체 영역 내에서 직접 음파 전파와 라이트힐의 난류 소음 생성 메커니즘을 모델링하는 것.

제안 방법

• 고체 평면에 의해 둘러싸인 반무한 이상 유체 내에서 선형화된 뉴턴 중력에 의해 시험 질량과 대기 밀도 변동 간의 중력 결합을 유도한다.
• 푸리에 공간 분석을 통해 측정 가능한 압력 변동 스펙트럼을 사용하여 가속도 변동의 전력 스펙트럼 밀도를 표현한다.
• 난류 영역 크기가 L인 영역에서 난류 유동에 의한 음향 방출 이론을 적용하여 음파 생성을 모델링한다.
• 코모고로프의 난류 이론을 사용하여 난류 속도 변동의 에너지 스펙트럼을 모델링하고, 이를 통해 유도된 뉴턴력 소음 스펙트럼을 도출한다.
• 코모고로프 상수, 점성도 및 밀도를 포함하는 유도된 식을 사용하여 대기 중 뉴턴력 소음의 변형 진폭을 수치적으로 평가한다.
• 기본 대기 파rameter를 사용하여 유도된 스펙트럼 표현식을 수치적으로 통합하고, 결과를 비르고의 감도 곡선과 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 반무한 유체 영역에서 대기 압력 및 밀도 변동에 의해 유도되는 가속도 변동의 분석적 스펙트럼 밀도는 무엇인가?
• RQ2 난류 공기에서 라이트힐 과정에 의해 생성된 음파에 의한 뉴턴력 소음은 비르고 탐지기의 감도와 어떻게 비교되는가?
• RQ3 음향 및 난류 대기 현상은 지상 기반 중력파 탐지기에서 중력 기울기 소음에 얼마나 기여하는가?
• RQ4 실험적으로 측정 가능한 압력 변동 스펙트럼을 사용하여 대기 중 뉴턴력 소음을 분석적으로 추정할 수 있는가?
• RQ5 대기 중 뉴턴력 소음은 비르고와 같은 탐지기에서 저주파수 중력파 탐지에 제한 요소가 되는가?

주요 결과

• 분석 모델은 반무한 유체와 경계가 있는 강체 평면이 존재하는 조건에서 실험적으로 측정 가능한 압력 변동 스펙트럼과 가속도 변동 스펙트럼 밀도 간의 관계를 성공적으로 유도하였다.
• 직접 음파 결합의 경우, 추정된 대기 중 뉴턴력 소음은 4–10 Hz 대역에서 비르고의 감도 곡선보다 최소 2개의 지수 차수 낮다.
• 라이트힐 난류 과정에 의해 생성된 소음의 경우, 추정된 변형 진폭은 360 Hz에서 약 10⁻²³ /√Hz이다.
• 이 라이트힐에 의해 생성된 소음은 비르고의 감도인 약 1.1×10⁻²⁰ /√Hz보다 최소 3개의 지수 차수 낮아지며, 영향이 미미함을 시사한다.
• 수치 평가에서는 코모고로프 상수 9.85와 표준 대기 파rameter를 사용하여 낮은 소음 결론의 강건성을 확인하였다.
• 이 연구는 음향 및 난류 원천에서 기인하는 대기 중 뉴턴력 소음이 비르고의 저주파수 범위 감도에 제한 요소가 되지 않는다고 결론을 내렸다.