L'expérience à La Palma :Le faisceau laser (jaune) génère une étoile guide artificielle dans la mésosphère. Cette lumière est collectée dans le télescope récepteur (avant gauche). La source laser et le télescope récepteur sont à huit mètres l'un de l'autre. Crédit :Felipe Pedreros Bustos
La mésosphère, à des hauteurs comprises entre 85 et 100 kilomètres au-dessus de la surface de la Terre, contient une couche de sodium atomique. Les astronomes utilisent des faisceaux laser pour créer des étoiles artificielles, ou étoiles de guidage laser (LGS), dans cette couche pour améliorer la qualité des observations astronomiques. En 2011, les chercheurs ont proposé que les étoiles guides artificielles puissent également être utilisées pour mesurer le champ magnétique terrestre dans la mésosphère. Un groupe international de scientifiques a récemment réussi à le faire avec un haut degré de précision. La technique peut également aider à identifier des structures magnétiques dans la lithosphère solide de la Terre, surveiller la météo spatiale, et pour mesurer les courants électriques dans la partie de l'atmosphère appelée ionosphère.
Les astronomes utilisent des lasers pour générer des étoiles artificielles depuis 20 ans. Un faisceau laser est dirigé du sol vers l'atmosphère. Dans la couche de sodium, il heurte des atomes de sodium, qui absorbent l'énergie du laser puis commencent à briller. "Les atomes émettent de la lumière dans toutes les directions. De telles étoiles artificielles sont à peine visibles à l'œil nu mais peuvent être observées avec des télescopes, " a expliqué Felipe Pedreros Bustos de l'Université Johannes Gutenberg de Mayence (JGU). Dans le cadre des travaux de sa thèse de doctorat, le physicien d'origine chilienne a passé quatre ans à travailler sur le projet, qui, outre JGU, implique l'Observatoire européen austral (ESO), l'Université de Californie, Berkeley et Rochester Scientific aux USA, l'Institut national italien d'astrophysique (INAF-OAR), et l'Université de la Colombie-Britannique à Vancouver, Canada.
Les étoiles guides artificielles aident les astronomes à corriger les distorsions de la lumière qui traverse l'atmosphère. La lumière de l'étoile guide artificielle est captée au sol par des télescopes, et les informations sont utilisées pour régler en temps réel des miroirs déformables à la pointe de la technologie, compenser les distorsions et permettre une image nette des objets astronomiques, jusqu'à la résolution optique, la limite dite de diffraction, du télescope.
La précession des atomes de sodium révèle la force du champ magnétique
Les participants au projet collaboratif utilisent des étoiles guides laser pour mesurer le champ magnétique terrestre. Une unité ESO LGS dédiée à la Recherche et au Développement est hébergée dans l'Observatoire Roque de los Muchachos à La Palma, l'île la plus occidentale des Canaries. La disponibilité et l'utilisation de l'unité LGS ont permis de réaliser les expériences conjointes rapportées, qui visent également à augmenter la luminosité des étoiles guides laser.
L'Observatoire du Roque de los Muchachos, situé sur le bord d'un volcan éteint à 2, 400 mètres d'altitude dans l'île de La Palma, fournit des conditions adéquates pour effectuer les expériences décrites. Crédit :Felipe Pedreros Bustos
De l'observatoire, un faisceau laser est dirigé sur la couche de sodium qui excite et polarise en spin les atomes faisant que la plupart de leur spin atomique pointe dans la même direction. En raison de l'effet du champ magnétique environnant, les spins atomiques polarisés tournent autour de la direction du champ magnétique similaire au mouvement d'un gyroscope qui est incliné par rapport à la verticale, un phénomène connu sous le nom de précession de Larmor. "Une étoile guide devient plus brillante lorsque la fréquence de modulation de notre laser coïncide avec la fréquence de précession du sodium, " a expliqué Pedreros Bustos. " Comme la fréquence de Larmor est proportionnelle à la force du champ magnétique, nous pouvons utiliser cette méthode pour mesurer le champ magnétique terrestre dans la couche de sodium. » Le schéma de détection est similaire à un stroboscope.
D'où, le groupe a réussi à utiliser une méthode bien étudiée, technique fondamentale de laboratoire pour observer le monde naturel. Il comble une lacune dans notre connaissance du champ magnétique terrestre en nous permettant de faire des observations au sol de la mésosphère, qui était auparavant difficile d'accès. Jusqu'à maintenant, le champ magnétique ne pouvait être mesuré directement au sol, des avions, des ballons dans la stratosphère, ou à partir de satellites.
En mai 2018, un groupe de recherche américano-américain avait publié des résultats similaires. Cependant, ces dernières mesures sont beaucoup plus précises, et les scientifiques espèrent les améliorer encore en utilisant des lasers à plus haute énergie. "Nous pouvons également utiliser la technique pour estimer les processus atomiques dans l'atmosphère, par exemple, combien de fois le sodium entre en collision avec d'autres atomes tels que l'oxygène ou l'azote. C'est quelque chose qui n'a pas été fait avant, " a déclaré Pedreros Bustos.
Cette technique de mesure d'étoiles guides artificielles sera particulièrement utile en géophysique. Il permettra de déterminer les modifications du champ magnétique de l'ionosphère terrestre causées par les vents solaires. En outre, l'observation des courants océaniques et des structures magnétiques à grande échelle dans le manteau supérieur serait possible grâce à une surveillance continue du champ magnétique terrestre à des altitudes de 85 à 100 kilomètres.
