德国用ROMY陀螺仪阵列对地球的自转和倾斜进行了首次测量
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发布时间：2022-09-19 13:16
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时间：2023-10-28 02:22
地震和海洋潮汐等现象会不断地将地球的自转打偏，需要不断地修正GPS卫星信号。通常情况下，校正使用望远镜观测，它提供了一组天体坐标，以确定地球在空间的方向。但望远镜数据可能需要几天的时间来处理。发表在《物理评论快报》的一项实验报告中证明，地震学中的旋转运动，或ROMY陀螺仪阵列，可以连续监测地球的微小晃动。
德国的 ROMY阵列耗资250万欧元，位于巴伐利亚州 菲斯滕费尔德布鲁克县， 是一个由混凝土、钢管和精密传感器组成的倒置金字塔，有三层楼那么深。ROMY是一个倒立的管子金字塔，每边大约有一根电话杆的长度。它的四个三角形面测量不同方向的运动。在每一侧，一束激光束顺时针穿过三角形管道，而另一束则逆时针运行。由于三角形随着地球自转而移动，与地球自转方向相同的激光束必须走得更远才能绕过三角形。这样一来，光束的波长就会被拉长。同时，相反方向的光束由于路径较短，其波长被压缩。波长之间的不匹配揭示了地球自转的速度和倾斜度。
在首次近七周的测试中，ROMY对地球倾斜度的变化敏感度不到0.00014度。这种看似微小的变化会使地球两极在地面上移动约15米。ROMY还能探测到地球自转率的变化，这种变化非常小，以至于在一天的长度中，在一次自转中加起来只有4秒钟的差别。
ROMY团队成员、慕尼黑路德维希马克西米利安大学的地震学家海纳·伊格尔说，这仍然没有望远镜那么准确。为了具有竞争力，ROMY必须至少精确100倍。这将需要强化机器，防止温度变化导致其管道膨胀和收缩，扰乱测量。
伊格尔说：“这是一个之前从未被建造过的结构。它是如此特别的东西，主要原因是需要保持激光器稳定和检测其波长的微小变化。”
ROMY阵列甚至可能能够探测到爱因斯坦广义相对论所预言的一种微妙效应：旋转的行星对附近时空的影响，就像蜂蜜中转动的勺子。ROMY还将对探测伴随着地震的微弱旋转，这些长期被忽视的运动包含着地球内部结构的线索。ROMY可以为微型传感器铺平道路，这些传感器可以帮助石油和天然气勘探者，甚至是想要倾听月球和火星上的振动的行星科学家。
ROMY阵列当中的环形激光器是精致的旋转传感器，其工作原理要归功于法国物理学家乔治·萨格纳克在1913年展示的一种物理效应效果。萨格纳克将光分成两束，以相反的方向绕着旋转桌面的镜面周边传播。当他将光重新组合时，他看到了干扰 "边缘"：暗带和亮带，这表明两束光中的光波是不相位的。沿着旋转方向移动的光束比其对应的光束走得稍远，导致了相位偏移。
在此后的几十年里，科学家们将萨格纳克效应用于跟踪旋转。该原理是激光和光纤陀螺仪的基础，这些陀螺仪在20世纪70年代取代了精巧的机械陀螺仪，成为现代导航的标准。它们所测量的旋转，就像战斗机的转弯和俯冲一样，速度快，体积大。
建造一个更大、更灵敏的环形激光器用于大地测量，甚至测量地球本身的想法直到20世纪90年代才出现，当时近乎完美的镜面已经可以使用。
第一批这样的激光器之一是C-II，这是一个拥有1米长臂的正方形形状的环形激光器，90年代中期在新西兰建造，安置在一个废弃的二战碉堡中，那里温度稳定。C-II的环本身就能产生激光束，它的腔体中充满了氖和氦气的激光介质。和以前一样，旋转延长了一条光路，但对C-II的影响是拉长了沿着这条光路共振的激光的波长，就像拉长的弹簧中的线圈一样。对于运行方向相反的光束，路径和波长被挤压。当光束受到干扰时，它们略微冲突的波长造成了相当于钢琴调音师在同时敲击音符和音叉时试图消除的脉冲节拍的光学现象。
C-II开启了慕尼黑工业大学激光物理学家乌尔里希·施雷伯的职业生涯，他领导了C-II的设计。施雷伯后来在新西兰、美国加利福尼亚、德国和意大利从事环形激光器的研究。
在获得欧洲研究委员会的资助后，伊格尔向施雷伯提出了最大的挑战：设计ROMY阵列。ROMY的臂长为12米，比以前的环形激光器更加灵敏，能够感应到地球的自转，其灵敏度优于十亿分之一。而且它不是一个方形的环，而是有四个三角形的环。其中三个需要锁定任何方向的旋转，第四个则增加了冗余度。该工程在2016年3月开始施工，6个月后完工。
工程师们今年在所有四个环中同时实现了第一道光。这标志着四面体的几何形状足够精确，可以保持所有激光器的正常共振。
最终，ROMY可以让科学家监测地球一天的长度和两极的位置变化。这两者都不像你想象的那样固定，每天以毫秒和厘米的速度变化。太阳和月亮牵引着地球，而*的漂移、洋流的变化以及冰河时代冰川退缩后地壳的反弹，都会使地球的质量发生移动，改变地球的惯性矩，从而改变其自转。即使是飓风和地震也能让地球产生微小的推力。
地球的细微颤动有实际的影响。精确地瞄准火箭，不管它是飞往火星还是地球静止轨道，都需要将它们考虑在内。而全世界的企业和消费者都在使用的GPS卫星数据，如果它们相对于地球表面的准确位置不被不断修正的话，就会在几周内渐渐失去意义。
目前，对这些变量的最佳测量来自一个叫做甚长基线干涉测量法（VLBI）的系统，该系统使用间隔在地球上的无线电天线来盯着类星体。通过对间隔很广的天线记录亮度变化时的计时，大地测量学家可以计算出行星的自转率及其轴心。但该系统需要几十个天文台放弃宝贵的天文学时间，为了进行最佳的时间对比，硬盘必须连夜从偏远的地方运到超级计算机中心。将观测结果转化为公布的测量结果可能需要几天时间。
ROMY阵列将尝试与VLBI的精度相匹配，并在速度上超越它。理论上，ROMY可以持续监测地球的自转率和轴线，实时更新测量结果。帮助提供VLBI服务的澳大利亚霍巴特塔斯马尼亚大学的大地测量学家露西娅·普兰克说：”ROMY的优势在于你有一个即时的结果。"不过她补充说，VLBI技术更稳定，不太可能很快消失。
VLBI测量的是地球相对于几十亿光年外的标记物的自转，而ROMY测量的则是地球表面的自转，两者之间的差异可能很明显。这是因为爱因斯坦的拖曳效应引发，在地球旋转质量的引力扭曲附近的时空的情况下，应该导致接近地球测量的旋转率的无限小的变化。
