La mesosfera, a alturas entre 85 y 100 kilómetros sobre la superficie de la Tierra, contiene una capa de sodio atómico. Los astrónomos usan rayos láser para crear estrellas artificiales, o estrellas guía láser (LGS), en esta capa para mejorar la calidad de las observaciones astronómicas. En 2011, Los investigadores propusieron que las estrellas guía artificiales también podrían usarse para medir el campo magnético de la Tierra en la mesosfera. Un grupo internacional de científicos ha logrado recientemente hacer esto con un alto grado de precisión. La técnica también puede ayudar a identificar estructuras magnéticas en la litosfera de la Tierra sólida, para monitorear el clima espacial, y medir corrientes eléctricas en la parte de la atmósfera llamada ionosfera.

Los astrónomos han estado usando láseres para generar estrellas artificiales durante los últimos 20 años. Un rayo láser se dirige desde el suelo hacia la atmósfera. En la capa de sodio, golpea átomos de sodio, que absorben la energía del láser y luego comienzan a brillar. "Los átomos emiten luz en todas direcciones. Estas estrellas artificiales son apenas visibles a simple vista, pero pueden observarse con telescopios, ", explicó Felipe Pedreros Bustos de la Universidad Johannes Gutenberg de Mainz (JGU). En relación con el trabajo de su tesis doctoral, el físico chileno lleva cuatro años trabajando en el proyecto, que además de JGU involucra al Observatorio Europeo Austral (ESO), la Universidad de California, Berkeley y Rochester Scientific en EE. UU., el Instituto Nacional Italiano de Astrofísica (INAF-OAR), y la Universidad de Columbia Británica en Vancouver, Canadá.

Las estrellas guía artificiales ayudan a los astrónomos a corregir las distorsiones de la luz que viaja a través de la atmósfera. La luz de la estrella guía artificial se recoge en el suelo mediante telescopios, y la información se utiliza para ajustar en tiempo real espejos deformables de última generación, compensando las distorsiones y permitiendo que los objetos astronómicos sean captados con nitidez, hasta la resolución óptica, el llamado límite de difracción, del telescopio.

La precesión de los átomos de sodio revela la fuerza del campo magnético.

Los participantes en el proyecto colaborativo están utilizando estrellas guía láser para medir el campo magnético de la Tierra. Una unidad de ESO LGS dedicada a la Investigación y el Desarrollo se encuentra en el Observatorio Roque de los Muchachos en La Palma, la isla canaria más occidental. La disponibilidad y uso de la unidad LGS ha permitido realizar los experimentos conjuntos reportados, que también tienen como objetivo aumentar el brillo de las estrellas guía láser.

Desde el observatorio, un rayo láser se dirige a la capa de sodio que excita y polariza el giro de los átomos haciendo que la mayor parte de su punto de giro atómico se encuentre en la misma dirección. Debido al efecto del campo magnético circundante, los espines atómicos polarizados giran alrededor de la dirección del campo magnético similar al movimiento de un giroscopio que está inclinado desde la vertical, un fenómeno conocido como precesión de Larmor. "Una estrella guía se vuelve más brillante cuando la frecuencia de modulación de nuestro láser coincide con la frecuencia de precesión del sodio, "explica Pedreros Bustos." Como la frecuencia de Larmor es proporcional a la fuerza del campo magnético, podemos usar este método para medir el campo magnético de la Tierra en la capa de sodio ”. El esquema de detección es similar a un estroboscopio.

Por eso, el grupo ha logrado utilizar un estudio bien estudiado técnica de laboratorio fundamental para observar el mundo natural. Llena un vacío en nuestro conocimiento del campo magnético de la Tierra al permitirnos realizar observaciones terrestres de la mesosfera, que anteriormente era de difícil acceso. Hasta ahora, el campo magnético solo se puede medir directamente en el suelo, desde aviones, de globos en la estratosfera, o de satélites.

En mayo de 2018, un grupo de investigación estadounidense había publicado hallazgos similares. Sin embargo, estas últimas medidas son mucho más precisas, y los científicos esperan mejorarlos aún más mediante el uso de láseres de mayor energía. "También podemos utilizar la técnica para estimar procesos atómicos en la atmósfera, por ejemplo, con qué frecuencia el sodio choca con otros átomos como el oxígeno o el nitrógeno. Esto es algo que no se ha hecho antes, "dijo Pedreros Bustos.

Esta técnica de medición de estrellas guía artificial será particularmente útil en geofísica. Permitirá determinar cambios en el campo magnético de la ionosfera terrestre provocados por los vientos solares. Además, La observación de las corrientes oceánicas y las estructuras magnéticas a gran escala en el manto superior sería factible mediante la vigilancia continua del campo magnético de la Tierra a altitudes de 85 a 100 kilómetros.