آرایه‌ای از لیزرهای حلقه‌ای امکان اولین اندازه‌گیری پیوسته‌ی حرکت زمین از یک مکان واحد را فراهم کرده است.

اندازه‌گیری زمین از یک پناهگاه زیرزمینی. ROMY که برای کنترل حرکت زمین طراحی شده، اولین اندازه‌گیری‌های خود را انجام داده است. شش حفره‌ی لیزری لوله‌مانند در رأس یک ساختار چهاروجهی به‌هم می‌رسند، این ساختار در نزدیکی مونیخ قرار دارد. عمیق‌ترین رأس (تصویر فوق) ۱۴ متر زیر زمین قرار دارد.

سرعت چرخش زمین و تمایل محور آن نوسانات ثابتی دارد که ناشی از تغییرات درونی سیاره در اقیانوس‌ها و در جو آن است. اکنون محققان اولین اندازه‌گیری‌های پیوسته‌ی این نوسانات کوچک را با استفاده از چیدمانی از چهار ژیروسکوپ لیزری که در آلمان در زیرِ زمین قرار گرفته‌ گزارش کرده‌اند. داده‌های این وسیله‌ی جدید در حفظ دقت کنونی رهیابی برپایه‌ی GPS اهمیت خواهد داشت.

بسیاری از آثار، ازجمله جریان‌های اقیانوسی و حرکت جو و صخره‌های یخی، در ایجاد نوسانات در مرکزجرم زمین و درنتیجه جهت‌یابی محور زمین و سرعت چرخش آن (که در مجموع بردار چرخش نامیده می‌شود) نقش دارند. رهیابی دقیق GPS نیازمند این است که این نوسانات برای ماهواره‌های GPS مشخص باشد تا فضاپیما بتواند مکان دقیق خود نسبت به سطح را تعیین کند.

استاندارد طلایی کنونی برای اندازه‌گیری بردار چرخش زمین از تداخل‌سنجی خط پایه‌ی بسیار طولانی (VLBI) می‌آید که شامل گیرنده‌های رادیویی در سراسر جهان است. گیرنده‌ها از اختلافات جزئی زمانی که طی آن تغییرات ناگهانی در تابش میکروموج در اختروش‌های بسیار دوردست را آشکارسازی می‌کند،‌ استفاده می‌کنند تا موقعیت دقیق خود را مشخص کنند. این اطلاعات به آنها این امکان را می‌دهد تا تغییرات کوچک در جهت‌گیری زمین نسبت به این اجرام بسیار دوردست را کنترل کنند. روزها طول می‌کشد تا رصدهای VLBI به نتایج مفیدِ نهایی تبدیل شود. یک حسگر چرخشی در یک مکان واحد توانسته امکان اندازه‌گیری مستقل را فراهم کند و امکان دسترسی پیوسته به داده‌ها را نیز بدهد.

چنین حسگر چرخشی‌ای می‌تواند لیزری باشد که کاواک آن در یک حلقه/ ی بسته،‌موسوم به لیزر حلقه‌ای، مرتب شده باشد. در لیزرهای خطی سنتی،‌ در دو انتهای کاواک آینه‌ای قرار دارد و میزان جدایی آنها از هم مقدار طول‌موجِ تولیدی را تعیین می‌کند. کاواکِ یک لیزر حلقه‌ای اغلب مثلثی از لوله‌های پر از گاز است و دو باریکه‌ی نور تولید می‌کند که در دو جهت مخالف به‌دور حلقه حرکت می‌کنند. اگر این ساختار بچرخد، پرتوِ درحال حرکت در جهتِ چرخش باید مسیر طولانی‌تری نسبت به پرتو درخلاف جهت چرخش طی کند تا یک‌ دور بچرخد، که باعث ایجاد دو طول‌موج با اندکی اختلاف می‌شود. تداخل این دو پرتو الگویی ایجاد می‌کند که نشان‌دهنده‌ی سرعت چرخش است.

دو پرتو لیزر جدای از هم در دو جهت مخالف به دور هر یک از چهار مثلث ROMY می‌چرخند. تداخل این پرتوها اندازه‌ی بسیار حساسی از نوسانات چرخش و شیب محور زمین فراهم می‌کند.

لیزرهای حلقه‌ای در دهه ۱۹۹۰ برای اندازه‌گیری حرکت زمین توسعه یافتند. این لیزرها از هلیوم و نئون در لوله‌ها برای ناحیه‌ی لیزری استفاده کردند و سه‌گوش یا چهارگوش بودند، با اضلاعی که چندین متر طول آنها بود. اما یک لیزر حلقه‌ای تکی فقط می‌تواند چرخش در یک صفحه را تشخیص دهد. درعوض سیستمی که از چهار لیزر حلقه‌ای مثلثی که به‌صورت وجوه یک چهاروجهی است، استفاده می‌کند می‌تواند اطلاعات سه‌بعدی کاملی درباره‌ی بردار چرخش زمین فراهم کند. هر یک از سه حسگر از چهار حسگر آن می‌تواند اطلاعات فراهم کند، درحالی‌که حسگر چهارم اجازه‌ی تهیه اطلاعات اضافی را فراهم می‌کند. این ساختار چهاروجهی، که از یک طرف ۱۲ متر طول دارد، در سال ۲۰۱۶ ساخته و در نزدیکی مونیخ در زیرِ زمین قرار داده شده است. این ابزار که بخش اصلی حرکت‌های چرخشی در وسایل زلزله‌شناسی (ROMY) است، اولین استفاده‌ی تمام‌عیار از یک لیزر حلقه‌ای چندجزئی برای بررسی حرکت زمین است.

اکنون ROMY برای نشان‌دادن تلاش‌های خود نتایجی دارد. اولریخ شرایبر، از دانشگاه فنی مونیخ،‌ و همکارانش پس از ۴۷ روز جمع‌آوری پیوسته‌ی داده، بردار چرخش زمین را با دقت بالایی تعیین کردند. ROMY به‌اندازه‌‌ی کافی حساس است، طوری که گروه توانست گزارش کند که قطب‌های زمین در طی زمان اندازه‌گیری به‌طور میانگین از موقعیت معمول خود کمتر از ۱ ثانیه‌ی قوسی منحرف شده است. همچنین محققان دریافتند که سرعت چرخشی از مقدار ثابت کمتر از ۲ نانو رادیان بر ثانیه انحراف دارد که نشان می‌دهد تعادل حسگر به‌اندازه ۵ قسمت از ۱۰^۵ قسمت است.

اشریبر می‌گوید این نتایج بیشترین میزان حساسیت و تعادل تداخل‌سنج اپتیکی برای اندازه‌گیری حرکت زمین را نشان می‌دهد. ما به جایی می‌رسیم که تماشای حرکت زمین در زمان واقعی آن به واقعیت می‌پیوندد. اما او می‌گوید عملکرد این آزمون اولیه هنوز بسیار کمتر از سیستم‌های VLBI است.‌

یوهانس بوهم که در دانشگاه فنی وین روی VLBI کار می‌کند تحتِ‌تأثیر قرار گرفته و می‌گوید جذاب‌ترین جنبه‌ی آن این است که می‌توان فقط با یک ابزار در سطح زمین، بدون ماهواره‌های رصدگر یا منابع رادیویی فراکهکشانی، تغییرات چرخش را بررسی کرد.

با این حال ROMY اندازه‌گیری‌های ماهواره‌ای را منسوخ نخواهد کرد. از آنجا که دقت و حساسیت ROMY با پیشرفت‌های تکنیکی،‌ مانند تعادل کاواک‌های لیزری، پیچیده‌تر خواهد شد ادامه‌ی رصدهای آن مکمل ابزارهای برپایه‌ی فضا خواهد بود. شرایبر می‌گوید لیزرهای حلقه‌ای پیشرفته اندازه‌گیری‌های کوتاه‌مدت با وضوح بالا فراهم می‌کنند در حالی که سیستم‌های ماهواره‌ای و VLBI تعادل بلندمدت را تضمین می‌کند.

نویسنده: راشل برکوویتز، ویراستار مسئول بخش فیزیک مستقر در سیاتل، آمریکا و ونکوور،‌ کانادا.

منبع: https://physics.aps.org/articles/v13/115