Jordens magnetfelt målt ved hjælp af kunstige stjerner i 90 kilometers højde

Mesosfæren, i højder mellem 85 og 100 kilometer over jordens overflade, indeholder et lag af atomart natrium. Astronomer bruger laserstråler til at skabe kunstige stjerner, eller laserguidestjerner (LGS), i dette lag for at forbedre kvaliteten af ​​astronomiske observationer. I 2011 forskere foreslog, at kunstige ledestjerner også kunne bruges til at måle Jordens magnetfelt i mesosfæren. Det har en international gruppe af forskere for nylig formået at gøre dette med en høj grad af præcision. Teknikken kan også hjælpe med at identificere magnetiske strukturer i den faste jords lithosfære, at overvåge rumvejr, og at måle elektriske strømme i den del af atmosfæren, der kaldes ionosfæren.

Astronomer har brugt lasere til at generere kunstige stjerner i de sidste 20 år. En laserstråle rettes fra jorden ud i atmosfæren. I natriumlaget, det rammer natriumatomer, som absorberer laserens energi og derefter begynder at lyse. "Atomerne udsender lys i alle retninger. Sådanne kunstige stjerner er knapt synlige for det blotte øje, men kan observeres med teleskoper, " forklarede Felipe Pedreros Bustos fra Johannes Gutenberg University Mainz (JGU). I forbindelse med arbejdet med sin doktorafhandling, den chilensk-fødte fysiker har brugt fire år på at arbejde på projektet, som udover JGU involverer European Southern Observatory (ESO), University of California, Berkeley og Rochester Scientific i USA, det italienske nationale institut for astrofysik (INAF-OAR), og University of British Columbia i Vancouver, Canada.

De kunstige ledestjerner hjælper astronomer med at korrigere forvrængningerne af lys, der rejser gennem atmosfæren. Lyset fra den kunstige ledestjerne opsamles på jorden af ​​teleskoper, og informationen bruges til at justere i realtid state-of-the-art deformerbare spejle, kompenserer for forvrængningerne og gør det muligt at afbilde astronomiske objekter skarpt, ned til den optiske opløsning, den såkaldte diffraktionsgrænse, af teleskopet.

Præcessionen af ​​natriumatomer afslører styrken af ​​det magnetiske felt

Deltagerne i samarbejdsprojektet bruger laser ledestjerner til at måle Jordens magnetfelt. En ESO LGS-enhed dedikeret til forskning og udvikling har til huse i Roque de los Muchachos-observatoriet på La Palma, den vestligste Kanariske Ø. Tilgængeligheden og brugen af ​​LGS-enheden har gjort det muligt at udføre de rapporterede fælles eksperimenter, som også sigter mod at øge lysstyrken af ​​laserguidestjerner.

Fra observatoriet, en laserstråle er rettet mod natriumlaget, som exciterer og spin-polariserer atomerne, så det meste af deres atomare spin peger i samme retning. På grund af virkningen af ​​det omgivende magnetfelt, de polariserede atomare spin roterer rundt i retningen af ​​magnetfeltet svarende til bevægelsen af ​​et gyroskop, der vippes fra lodret, et fænomen kendt som Larmor-præcession. "En ledestjerne bliver lysere, når moduleringsfrekvensen af ​​vores laser falder sammen med præcessionsfrekvensen for natrium, " forklarede Pedreros Bustos. "Da Larmor-frekvensen er proportional med styrken af ​​det magnetiske felt, vi kan bruge denne metode til at måle Jordens magnetfelt i natriumlaget." Detektionsskemaet ligner et stroboskop.

Derfor, gruppen har haft held med at bruge en velundersøgt, grundlæggende laboratorieteknik til at observere den naturlige verden. Det udfylder et hul i vores viden om Jordens magnetfelt ved at give os mulighed for at foretage jordbaserede observationer af mesosfæren, som tidligere var svært tilgængelige. Indtil nu, magnetfeltet kunne kun måles direkte på jorden, fra fly, fra balloner i stratosfæren, eller fra satellitter.

I maj 2018, en amerikansk-amerikansk forskergruppe havde offentliggjort lignende resultater. Imidlertid, disse seneste målinger er meget mere præcise, og videnskabsmænd håber at forbedre dem yderligere ved at bruge lasere med højere energi. "Vi kan også bruge teknikken til at estimere atomare processer i atmosfæren, for eksempel, hvor ofte natrium kolliderer med andre atomer såsom oxygen eller nitrogen. Det er noget, der ikke er blevet gjort før, " sagde Pedreros Bustos.

Denne kunstige guide-stjernemålingsteknik vil være særlig nyttig inden for geofysik. Det vil gøre det muligt at bestemme ændringer i magnetfeltet i Jordens ionosfære forårsaget af solvinde. Ud over, observation af havstrømme og storskala magnetiske strukturer i den øvre kappe ville være mulig ved hjælp af kontinuerlig overvågning af Jordens magnetfelt i højder på 85 til 100 kilometer.