Кольцевой лазер измерил колебания земной оси с рекордной точностью

Автор: Астрид Эккерт / TUM

По мере движения Земли в космическом пространстве она слегка покачивается. Команде исследователей из Технического университета Мюнхена (TUM) и Боннского университета удалось измерить эти колебания земной оси с помощью совершенно нового метода — ранее такое было возможно только с помощью сложной радиоастрономии. Команда использовала высокоточный кольцевой лазер в геодезической обсерватории TUM в Ветцелле, Бавария.

Результаты 250-дневного эксперимента были опубликованы в Science Advances. Ведущий автор работы профессор К. Ульрих Шрайбер из Института инженерии астрономической и физической геодезии TUM подчеркивает: «Мы добились большого прогресса в измерении Земли. То, что может наш кольцевой лазер, уникально в мировом масштабе. Мы в 100 раз точнее, чем было возможно ранее с гироскопами или другими кольцевыми лазерами. Точное измерение колебаний помогает нам лучше понять и смоделировать систему Земли с высокой точностью».

Колеблющаяся Земля

В реальности земная ось не жёстко закреплена в небе, как это изображено на глобусе. На неё действуют различные силы, заставляющие её колебаться в разной степени. Самый сильный фактор — неидеально круглая форма Земли; она слегка выпирает на экваторе по сравнению с полюсами. Эффект, известный как прецессия, заставляет продолжение земной оси описывать круг на небе. В настоящее время она точно совмещена с Полярной звездой. Но в будущем она будет указывать на другие звёзды, прежде чем вернётся к Полярной звезде в цикле продолжительностью 26 000 лет.

Однако гравитационные силы Солнца и Луны, которые иногда усиливают или ослабляют друг друга, также тянут земную ось. Этот эффект, известный как нутация, вызывает небольшие волновые движения в круге прецессии земной оси. Существует выраженная нутация с периодом 18,6 лет, но также множество более мелких с недельными или дневными колебаниями. В результате ось колеблется не равномерно, а с разной степенью интенсивности.

Невиданная точность

Кольцевой лазер смог измерить все эти эффекты непосредственно и непрерывно в течение 250 дней с уровнем точности, ранее неслыханным для инерциальных датчиков, то есть датчиков, работающих независимо от внешних сигналов. В отличие от прошлого, для этого не требуется сеть из нескольких больших радиотелескопов (РСДБ) на разных континентах.

Кольцевой лазер может делать всё это самостоятельно в относительно небольшом приборе, расположенном в подземном сооружении в Ветцелле. Кроме того, временное разрешение колебаний составляет менее часа вместо суток — а результаты доступны немедленно, а не через дни или недели, как в случае с РСДБ.

При дальнейшем повышении точности измерений и стабильности кольцевого лазера в 10 раз в будущем станет возможным измерить искажение пространства-времени, вызванное вращением Земли — прямое испытание теории относительности. Это позволило бы, например, напрямую на поверхности Земли проверить эффект Лензе — Тирринга, то есть «увлечение» пространства вращением Земли.

Больше информации: K. Ulrich Schreiber et al, Gyroscope measurements of the precession and nutation of Earth's axis, Science Advances (2025). DOI: 10.1126/sciadv.adx6634

Источник: Technical University Munich