Дважды в сутки поверхность Земли незначительно поднимается и опускается. Это явление незаметно для человека, но доказывает постоянное взаимодействие нашей планеты с Луной и Солнцем. Колебание, известное как твердый земной прилив, возникает из-за гравитационных сил, вызывающих океанские приливы, но воздействует на земную кору гораздо слабее.
Океаны заметно реагируют на притяжение Луны и Солнца, создавая приливы и отливы, наблюдаемые на пляжах и побережьях. Литосфера же, более жесткая структура по сравнению с водой, деформируется всего лишь на несколько миллиметров. Тем не менее, в мире есть места, где технологии настолько чувствительны, что могут обнаружить это едва заметное колебание и даже корректировать его последствия в режиме реального времени.
Передовой источник фотонов (APS) — научный объект в Аргоннской национальной лаборатории США. Группе физиков под руководством Луиса Эмери удалось зафиксировать воздействие земных приливов на ускоритель частиц центра — кольцо диаметром более километра, через которое электроны проносятся почти со скоростью света.
Крошечный эффект с реальными последствиями
Под действием приливных сил земная кора немного растягивается и сжимается, что приводит к незначительному смещению построек, деревьев и даже кольца APS. Эмери утверждает, что колебания диаметра кольца могут достигать 30 микрон — примерно как толщина человеческого волоса.
Малое колебание оказывает влияние на работу APS. Электронный луч в вакуумной камере не движется вместе с кольцом. Изменение формы кольца не изменяет траекторию пучка без вмешательства, что создаёт рассогласование и требует коррекции для поддержания стабильности эксперимента.
Для управления траекторией луча в APS применяются 500 датчиков положения, регистрирующие отклонения с микронным разрешением. Сложная система обратной связи на базе этих датчиков обеспечивает постоянную коррекцию пути электронов.
В системе главную роль играют радиочастотные резонаторы, расположенные по кольцу. Полости передают энергию пучку при каждом его прохождении, компенсируя естественные потери и синхронизируя траекторию с периметром кольца. При изменении длины кольца из-за приливов и отливов не отрегулированная частота заставляет луч изменять путь, совершая небольшие колебания для поддержания постоянной продолжительности оборота.
Изменение орбиты источника может повлиять на все остальное, поясняет Эмери. Система приспособлена для обнаружения этих изменений и автоматической коррекции каждую секунду. Благодаря такой синхронизации генерируемые рентгеновские лучи, применяемые исследователями по всему миру, сохраняют постоянное и надежное качество.
Неожиданное открытие
Более двадцати лет назад, изучая сейсмические сигналы в данных APS, Эмери обнаружил необычную закономерность: каждые двенадцать часов система систематически корректировала луч. Увидев это, его мысли сразу ушли к приливам и отливам. С тех пор он не прекращает отслеживать этот эффект, считая его «увлекательной диковиной» и показателем точности установки.
Кроме земных приливов, система фиксирует волны сжатия, которые возникают из-за землетрясений в любых точках Земли. Так Эмери и обнаружил землетрясение, которое искал в своих данных.
Твердый прилив сам по себе не существенно влияет на работу APS, но его обнаружение и устранение показывают чувствительность системы. По словам Эмери, даже выравнивания между Солнцем и Луной, например, в новолуние или полнолуние, приводят к более заметным эффектам, требующим от системы большей корректировки. Также есть сезонные колебания: например, зимой окружность кольца может уменьшиться примерно на миллиметр — небольшое, но значимое изменение.
Природные явления, встраиваемые в работу ускорителя, показывают, как можно измерять, моделировать и корректировать даже незначительные движения планеты. APS (Усовершенствованный источник фотонов) — это не просто научное устройство, а миниатюрный планетарный сенсор, способный с высокой точностью регистрировать «гравитационные вздохи» Земли.