de mesosfeer, op hoogten tussen 85 en 100 kilometer boven het aardoppervlak, bevat een laag atomair natrium. Astronomen gebruiken laserstralen om kunstmatige sterren te maken, of lasergeleidingssterren (LGS), in deze laag voor het verbeteren van de kwaliteit van astronomische waarnemingen. In 2011, onderzoekers stelden voor dat kunstmatige gidssterren ook kunnen worden gebruikt om het magnetische veld van de aarde in de mesosfeer te meten. Een internationale groep wetenschappers is dit recentelijk met een hoge mate van precisie gelukt. De techniek kan ook helpen bij het identificeren van magnetische structuren in de vaste lithosfeer van de aarde, ruimteweer in de gaten houden, en om elektrische stromen te meten in het deel van de atmosfeer dat ionosfeer wordt genoemd.

Astronomen gebruiken al 20 jaar lasers om kunstmatige sterren te genereren. Een laserstraal wordt vanaf de grond de atmosfeer in gestuurd. In de natriumlaag, het raakt natriumatomen, die de energie van de laser absorberen en dan beginnen te gloeien. "De atomen zenden licht uit in alle richtingen. Dergelijke kunstmatige sterren zijn nauwelijks zichtbaar voor het blote oog, maar kunnen met telescopen worden waargenomen, " verklaarde Felipe Pedreros Bustos van de Johannes Gutenberg Universiteit Mainz (JGU). In verband met het werk aan zijn proefschrift, de in Chili geboren natuurkundige heeft vier jaar aan het project gewerkt, waarbij naast JGU ook de European Southern Observatory (ESO) betrokken is, de Universiteit van Californië, Berkeley en Rochester Scientific in de VS, het Italiaanse Nationale Instituut voor Astrofysica (INAF-OAR), en de Universiteit van British Columbia in Vancouver, Canada.

De kunstmatige gidssterren helpen astronomen om de vervormingen van het licht dat door de atmosfeer reist te corrigeren. Het licht van de kunstmatige gidsster wordt door telescopen op de grond verzameld, en de informatie wordt gebruikt om in realtime state-of-the-art vervormbare spiegels aan te passen, de vervormingen compenseren en astronomische objecten scherp in beeld brengen, tot de optische resolutie, de zogenaamde diffractielimiet, van de telescoop.

De precessie van natriumatomen onthult de sterkte van het magnetische veld

De deelnemers aan het samenwerkingsproject gebruiken lasergeleidesterren om het aardmagnetisch veld te meten. Een ESO LGS-eenheid gewijd aan Onderzoek en Ontwikkeling is gehuisvest in het Roque de los Muchachos Observatorium op La Palma, het meest westelijke Canarische eiland. De beschikbaarheid en het gebruik van de LGS-eenheid hebben het mogelijk gemaakt om de gerapporteerde gezamenlijke experimenten uit te voeren, die ook gericht zijn op het verhogen van de helderheid van lasergidssterren.

Van het observatorium, een laserstraal wordt gericht op de natriumlaag die de atomen exciteert en spin-polariseert, waardoor het grootste deel van hun atomaire spin in dezelfde richting wijst. Door het effect van het omringende magnetische veld, de gepolariseerde atomaire spins draaien rond de richting van het magnetische veld, vergelijkbaar met de beweging van een gyroscoop die van de verticaal is gekanteld, een fenomeen dat bekend staat als Larmor precessie. "Een gidsster wordt helderder wanneer de modulatiefrequentie van onze laser samenvalt met de precessiefrequentie van natrium, " legde Pedreros Bustos uit. "Omdat de Larmor-frequentie evenredig is met de sterkte van het magnetische veld, we kunnen deze methode gebruiken om het magnetische veld van de aarde in de natriumlaag te meten." Het detectieschema is vergelijkbaar met een stroboscoop.

Vandaar, is de groep erin geslaagd een goed bestudeerde, fundamentele laboratoriumtechniek om de natuurlijke wereld te observeren. Het vult een leemte in onze kennis van het aardmagnetisch veld door ons in staat te stellen grondobservaties te maken van de mesosfeer, die voorheen moeilijk toegankelijk waren. Tot nu toe, het magnetische veld kon alleen direct op de grond worden gemeten, van vliegtuigen, van ballonnen in de stratosfeer, of van satellieten.

In mei 2018, een Amerikaans-Amerikaanse onderzoeksgroep had soortgelijke bevindingen gepubliceerd. Echter, deze laatste metingen zijn veel nauwkeuriger, en wetenschappers hopen ze nog verder te verbeteren door lasers met een hogere energie te gebruiken. "We kunnen de techniek ook gebruiken om atomaire processen in de atmosfeer te schatten, bijvoorbeeld, hoe vaak natrium botst met andere atomen zoals zuurstof of stikstof. Dit is iets dat nog niet eerder is gedaan, ' zei Pedreros Bustos.

Deze kunstmatige gidsster-meettechniek zal bijzonder nuttig zijn in de geofysica. Het zal het mogelijk maken om veranderingen in het magnetische veld van de ionosfeer van de aarde te bepalen, veroorzaakt door zonnewinden. In aanvulling, observatie van oceaanstromingen en grootschalige magnetische structuren in de bovenmantel zou mogelijk zijn door middel van continue bewaking van het aardmagnetisch veld op een hoogte van 85 tot 100 kilometer.