[论文解读] 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 7

一句话总结

本文利用49个地震仪组成的阵列，对处女座引力波探测器北端建筑内的地震波进行了详细的频谱分析。通过测量10–20 Hz频段内低至100 m/s的瑞利波相速度，作者证明了位于测试质量下方的凹陷基底结构可将牛顿噪声降低10倍，显著提升了未来探测器在低频段的灵敏度估计。

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.

研究动机与目标

• 表征处女座探测器北端建筑内地震噪声的空间与频谱特性。
• 识别主要的地震波模式及其传播特性，特别是瑞利波。
• 测量10–20 Hz频率范围内瑞利波的频散曲线。
• 利用现场特定的地震数据，重新评估凹陷测试质量基底结构对牛顿噪声的抑制效果。
• 通过改进牛顿噪声建模，提升未来引力波探测器在低频段的灵敏度估计。

提出的方法

• 对49个地震仪（38个室内，11个室外）连续两周的数据执行空间互谱分析。
• 利用互谱密度矩阵和傅里叶变换计算空间谱（kf图），以识别波矢分量。
• 从kf图中的峰值模式中提取相速度，推断波的传播特性。
• 通过分析10–20 Hz频率范围内相速度随频率的变化趋势，生成瑞利波的频散曲线。
• 利用测得的瑞利波速度，重新评估凹陷测试质量基底结构对牛顿噪声的抑制效果。
• 利用测得的地震波速度（≈100 m/s）对先前理论估算的噪声抑制程度进行重新校准。

实验结果

研究问题

• RQ1 在10 Hz至20 Hz频率范围内，处女座北端建筑中存在哪些主要的地震波模式？
• RQ2 在这些频率下，处女座场地地下瑞利波的相速度是多少？
• RQ3 测得的瑞利波速度如何影响凹陷基底结构对牛顿噪声的抑制效果？
• RQ4 观测到的地震波特性在多大程度上提高了牛顿噪声建模的准确性？
• RQ5 理论预测的凹陷基底结构能否在低频段将牛顿噪声降低10倍？

主要发现

• 在10–20 Hz频段，处女座北端建筑中瑞利波的相速度测量值为≲100 m/s，显著低于先前模型所假设的250 m/s。
• 成功从阵列数据中重建了瑞利波的频散曲线，显示出明显的频率依赖性。
• 在10 Hz处识别出两种主要地震模式：一种为约100 m/s的瑞利波，另一种为约km/s的体波，两者来源方向相近。
• 瑞利波与体波的振幅表现出相关的时间变化，表明存在共同的地震源。
• 利用测得的瑞利波速度，本研究重新计算了凹陷基底结构对牛顿噪声的抑制效果，显示噪声功率降低了10倍。
• 与先前估算相比，测试质量下方的凹陷结构提供了更强的牛顿噪声抑制效果，验证了其在未来探测器中的应用价值。