地球磁場是用人造導星在90千米高度測量的！

位於地球表面85至100公里高度的中間層含有一層原子鈉。天文學家利用激光束在這一層創建人造導星，或激光引導星(LGS)，以提高天文觀測的質量。2011年研究人員提出，人工引導星也可以用來測量地球中間層的磁場。一個國際科學家小組最近成功地做到了這一點。這項技術還可以幫助確定固體地球岩石圈中的磁性結構，監測太空天氣，測量大氣層中電離層的電流。在過去的20年里天文學家一直在使用激光來製造人造導星。激光束從地面定向到大氣層。在鈉層，它撞擊鈉原子，鈉原子吸收激光的能量，然後開始發光。原子向四面八方發出光。這種人造導星肉眼幾乎看不見，但可以用望遠鏡觀察到。

博科園-科學科普：為了完成博士論文的工作，這位出生於智利的物理學家花費了四年的時間來完成這個項目，除了JGU之外，還有歐洲南方天文台(ESO)、美國加州大學伯克利分校(University of California, Berkeley)和羅切斯特科學研究所(Rochester Scientific)、義大利國家天體物理研究所(INAF-OAR)以及加拿大溫哥華的英屬哥倫比亞大學(University of British Columbia)。人造導星幫助天文學家糾正在大氣層中傳播的光線的扭曲現象。人造導星發出的光由望遠鏡收集在地面上，信息被用來實時調整最先進的可變形的鏡子，補償失真，並允許天文物體被清晰地成像，直到望遠鏡的光學解析度，也就是所謂的衍射極限。

在拉帕爾馬的實驗:激光束(黃色)在中間層產生一顆人造導星，這種光線是在接收望遠鏡(前左)中收集的，激光源和接收望遠鏡相距8米。圖片：Felipe Pedreros Bustos

鈉原子的進動揭示了磁場的強度：這個合作項目的參與者使用激光引導恆星來測量地球磁場。一個致力於研究和開發的ESO LGS小組被安置在洛杉磯帕爾瑪的洛克·德洛斯克羅斯天文台，那裡是最西邊的加那利群島。LGS單元的可用性和使用允許執行所報告的聯合實驗，這也旨在提高激光制導太陽的亮度。從天文台的角度，一束激光束直接指向鈉層，這一層使原子的旋轉點與原子的旋轉方向一致。由於周圍磁場的影響，極化的原子自旋圍繞著磁場的方向旋轉，類似於一個從垂直方向傾斜的陀螺儀的運動，這種現象被稱為拉莫爾進動。

位於洛杉磯帕爾瑪島2400米高的死火山的邊緣，發現了一處已滅絕的火山的邊緣，提供了充分的條件來完成實驗。圖片：Felipe Pedreros Bustos

當激光器的調製頻率與鈉的進動頻率一致時，導星就會變得更亮。由於拉莫爾頻率與磁場強度成正比，可以用這種方法來測量鈉層中的地球磁場，探測方案與頻閃鏡相似。因此該小組成功地使用了一種經過深入研究的、基礎的實驗室技術來觀察自然世界。它填補了我們對地球磁場知識的空白，它允許我們對中間層進行地面觀測，而這在以前是很難達到的。到目前為止，磁場只能在地面上直接測量，從飛機，到平流層的氣球，或者從衛星。2018年5月美國一個研究小組發表了類似的發現。

然而這些最新的測量結果要精確得多，科學家們希望通過使用高能激光器來進一步改進它們。還可以利用這項技術來估計大氣中的原子過程，例如鈉與其他原子(如氧或氮)碰撞的頻率，這是前所未有的。這種人工導星測量技術在地球物理學中尤其有用，它將使確定由太陽風引起的地球電離層磁場變化成為可能。此外，在上地幔上的洋流和大型磁體的觀測可以通過連續監測地球磁場在85到100公里的高度進行連續監測是可行的。

博科園-科學科普｜參考期刊文獻:《美國國家科學院院刊》

研究/來自：美茵茨大學

DOI: 10.1073/pnas.1013641108

博科園-傳遞宇宙科學之美

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！