Mesosfären, på höjder mellan 85 och 100 kilometer över jordens yta, innehåller ett lager atomatrium. Astronomer använder laserstrålar för att skapa konstgjorda stjärnor, eller laserguidestjärnor (LGS), i detta lager för att förbättra kvaliteten på astronomiska observationer. Under 2011, forskare föreslog att konstgjorda guidestjärnor också skulle kunna användas för att mäta jordens magnetfält i mesosfären. En internationell grupp forskare har nyligen lyckats göra detta med hög precision. Tekniken kan också hjälpa till att identifiera magnetiska strukturer i den fasta jordens litosfär, för att övervaka rymdväder, och för att mäta elektriska strömmar i den del av atmosfären som kallas jonosfär.

Astronomer har använt lasrar för att generera konstgjorda stjärnor under de senaste 20 åren. En laserstråle riktas från marken in i atmosfären. I natriumskiktet, det träffar natriumatomer, som absorberar laserns energi och sedan börjar lysa. "Atomerna avger ljus i alla riktningar. Sådana konstgjorda stjärnor är knappt synliga för blotta ögat men kan observeras med teleskop, "förklarade Felipe Pedreros Bustos vid Johannes Gutenberg University Mainz (JGU). I samband med arbetet med hans doktorsavhandling, den chilenskfödda fysikern har ägnat fyra år åt att arbeta med projektet, som förutom JGU involverar European Southern Observatory (ESO), University of California, Berkeley och Rochester Scientific i USA, det italienska nationella institutet för astrofysik (INAF-OAR), och University of British Columbia i Vancouver, Kanada.

De konstgjorda guidestjärnorna hjälper astronomer att korrigera de snedvridningar av ljus som färdas genom atmosfären. Ljuset från den konstgjorda guidestjärnan samlas på marken av teleskop, och informationen används för att justera de senaste deformerbara speglarna i realtid, kompensera snedvridningarna och låta astronomiska föremål avbildas skarpt, ner till den optiska upplösningen, den så kallade diffraktionsgränsen, av teleskopet.

Förekomsten av natriumatomer avslöjar styrkan hos magnetfältet

Deltagarna i samarbetsprojektet använder laserguidestjärnor för att mäta jordens magnetfält. En ESO LGS -enhet för forskning och utveckling finns i Roque de los Muchachos -observatoriet på La Palma, den västligaste Kanarieö. Tillgängligheten och användningen av LGS -enheten har gjort det möjligt att utföra de rapporterade gemensamma experimenten, som också syftar till att öka ljusstyrkan hos laserguidestjärnor.

Från observatoriet, en laserstråle riktas mot natriumskiktet som exciterar och spinnpolariserar atomerna som gör de flesta av deras atomspinnpunkt i samma riktning. På grund av effekten av det omgivande magnetfältet, de polariserade atomspinnarna roterar runt magnetfältets riktning liknande rörelsen hos ett gyroskop som lutas från vertikalen, ett fenomen som kallas Larmor -recession. "En ledstjärna blir ljusare när moduleringsfrekvensen för vår laser sammanfaller med precessionsfrekvensen för natrium, "förklarade Pedreros Bustos." Eftersom Larmor -frekvensen är proportionell mot magnetfältets styrka, vi kan använda denna metod för att mäta jordens magnetfält i natriumskiktet. "Detekteringsschemat liknar ett stroboskop.

Därav, gruppen har lyckats använda en välstuderad, grundläggande laboratorieteknik för att observera den naturliga världen. Det fyller en lucka i vår kunskap om jordens magnetfält genom att tillåta oss att göra markbaserade observationer av mesosfären, som tidigare var svåråtkomlig. Tills nu, magnetfältet kunde bara mätas direkt på marken, från flygplan, från ballonger i stratosfären, eller från satelliter.

I maj 2018, en amerikansk-amerikansk forskargrupp hade publicerat liknande fynd. Dock, dessa senaste mätningar är mycket mer exakta, och forskare hoppas kunna förbättra dem ytterligare genom att använda lasrar med högre energi. "Vi kan också använda tekniken för att uppskatta atomprocesser i atmosfären, till exempel, hur ofta natrium kolliderar med andra atomer som syre eller kväve. Detta är något som inte har gjorts förut, sa Pedreros Bustos.

Denna artificiella guide -stjärna mätteknik kommer att vara särskilt användbar inom geofysik. Det kommer att göra det möjligt att bestämma förändringar av magnetfältet i jordens jonosfär orsakade av solvindar. Dessutom, observation av havsströmmar och storskaliga magnetiska strukturer i den övre manteln skulle vara möjlig med hjälp av kontinuerlig övervakning av jordens magnetfält i höjder av 85 till 100 kilometer.