Le gyroscope laser mesure de minuscules fluctuations dans la rotation de la Terre – Physics World

Le gyroscope laser mesure de minuscules fluctuations dans la rotation de la Terre – Physics World

Horodatage: 6 octobre 2023 12h25

Anneau laser
Anneau du sous-sol : le gyroscope laser. (Avec l'aimable autorisation de K. Ulrich Schreiber et al/Nature Photonics)

Après 30 ans de développement minutieux, des chercheurs allemands et néo-zélandais ont dévoilé un gyroscope laser capable de suivre les fluctuations de la rotation de la Terre en temps quasi réel et avec une précision de plusieurs millisecondes. La technique est beaucoup plus simple que les méthodes actuelles et pourrait permettre de mieux comprendre les phénomènes à l’origine des fluctuations, tels que les changements dans les courants océaniques.

La Terre tourne une fois par jour, mais il existe de minuscules fluctuations dans la vitesse et la direction de la rotation de notre planète. Certaines de ces fluctuations sont bien comprises – par exemple celles provoquées par les forces de marée de la Lune et du Soleil.

D'autres petites fluctuations ne sont pas bien comprises, notamment celles liées à l'échange de quantité de mouvement entre la Terre solide et les océans, l'atmosphère et les calottes glaciaires. Ces effets peuvent résulter d’événements climatiques tels que l’oscillation australe El Niño, qui modifient les courants océaniques. En conséquence, la mesure des fluctuations de la rotation de la Terre pourrait mettre en lumière des processus importants dans l’atmosphère.

Mesures combinées

La plupart des études de rotation impliquent la combinaison de données provenant de systèmes mondiaux de navigation par satellite ; observations de radioastronomie à très longue base de quasars ; et télémétrie laser. En raison de la complexité de combiner ces techniques, une seule mesure peut être effectuée par jour.

Aujourd'hui, une équipe dirigée par Ulrich Schreiber à l'Université technique de Munich a créé un gyroscope laser capable de mesurer les minuscules fluctuations en temps quasi réel. De plus, leur instrument peut tenir dans une grande pièce.

En son cœur se trouve une cavité optique qui guide la lumière autour d’un chemin carré de 16 m de long. Une paire de faisceaux laser sont envoyés autour de la cavité dans des directions opposées, créant un gyroscope laser en anneau. Cela fonctionne sur le principe selon lequel une rotation du gyroscope affecte le motif d'interférence créé lorsque les deux faisceaux sont combinés au niveau d'un détecteur. De tels gyroscopes sont utilisés dans les systèmes de navigation inertielle embarqués dans certains avions et sous-marins.

Laboratoire du sous-sol

"Contrairement à d'autres techniques [de mesure de la rotation de la Terre], notre laser annulaire est autonome et peut s'intégrer dans notre laboratoire au sous-sol, ce qui nous permet de lire instantanément la rotation de la Terre presque en temps réel", explique Schreiber. "Aujourd'hui, après 30 ans d'efforts expérimentaux, nous avons réussi à récupérer le signal d'intérêt."

Pour en arriver là, l’équipe devait peaufiner cinq aspects clés du fonctionnement du gyroscope laser. Premièrement, l'instrument devait être suffisamment sensible pour résoudre des variations aussi subtiles que 3 ppb de la vitesse de rotation de la Terre. En fait, c'était l'un des défis les plus faciles auxquels ils étaient confrontés, et il pouvait être surmonté simplement en fabriquant un gyroscope de 16 m de long.

À partir de là, la tâche de l’équipe est devenue encore plus difficile. "Le capteur devait être extrêmement stable", a déclaré Schreiber à propos du deuxième défi. « Nous ne pouvons pas lui permettre de dériver, car le moindre manque de stabilité générerait un signal apparent qui noyerait entièrement nos efforts. La stabilité a été la partie la plus difficile à atteindre.

Correction d'erreur élaborée

La troisième tâche à laquelle l'équipe s'est attaquée était de savoir comment gérer les erreurs introduites par l'orientation variable de l'axe de rotation de la Terre. Ces problèmes ont été résolus à l’aide d’une méthode élaborée de correction d’erreurs.

"Le prochain problème est que nous n'avons qu'un seul composant gyroscopique, mais trois directions spatiales", poursuit Schreiber. « Cela signifie que nous devons suivre l’inclinaison de notre instrument jusqu’au niveau de 3 nrad, ce qui est un très petit angle. Un changement d’orientation entraîne une modification de la projection du vecteur rotation de la Terre, ce qui n’est rien d’autre qu’une dérive et un faux signal.

Enfin, les doubles faisceaux laser du gyroscope ne fonctionnent pas totalement indépendamment les uns des autres. Cela signifie que les mesures du gyroscope peuvent dériver à long terme. Pour contrer ce problème, l'équipe a passé des années à développer un modèle de dynamique laser capable de reconnaître et d'éliminer toute dérive dans les lectures du gyroscope.

Aujourd'hui, après des décennies de travail acharné, l'instrument de l'équipe contrôle ces cinq facteurs en même temps, ce qui lui permet de surveiller le taux de rotation de la Terre avec une résolution de quelques millisecondes seulement sur 120 jours.

Après avoir franchi cette étape impressionnante, l'équipe de Schreiber est désormais capable de suivre les variations de la durée de la journée en continu et en temps réel. Cela pourrait aider à mieux comprendre la manière dont la Terre solide échange son élan avec l’air, l’eau et la glace à sa surface.

À plus long terme, les chercheurs visent désormais à étendre encore davantage la stabilité de leur gyroscope. "Cela nous permettra de capturer l'effet saisonnier de ces transferts de dynamique", explique Schreiber. "Pour l'instant, nous ne pouvons examiner que les signaux les plus marquants sur une période d'environ 14 jours. Nous avons donc encore un certain nombre de défis à relever."

La recherche est décrite dans Nature Photonics.

Horodatage:

Plus de Monde de la physique