A mesosfera, em alturas entre 85 e 100 quilômetros acima da superfície da Terra, contém uma camada de sódio atômico. Os astrônomos usam feixes de laser para criar estrelas artificiais, ou estrelas guia de laser (LGS), nesta camada para melhorar a qualidade das observações astronômicas. Em 2011, pesquisadores propuseram que estrelas-guia artificiais também poderiam ser usadas para medir o campo magnético da Terra na mesosfera. Recentemente, um grupo internacional de cientistas conseguiu fazer isso com alto grau de precisão. A técnica também pode ajudar a identificar estruturas magnéticas na litosfera sólida da Terra, para monitorar o clima espacial, e para medir correntes elétricas na parte da atmosfera chamada ionosfera.

Astrônomos têm usado lasers para gerar estrelas artificiais nos últimos 20 anos. Um feixe de laser é direcionado do solo para a atmosfera. Na camada de sódio, atinge átomos de sódio, que absorvem a energia do laser e depois começam a brilhar. "Os átomos emitem luz em todas as direções. Essas estrelas artificiais mal são visíveis a olho nu, mas podem ser observadas com telescópios, "explicou Felipe Pedreros Bustos, da Johannes Gutenberg University Mainz (JGU). Em conexão com o trabalho de sua tese de doutorado, o físico chileno passou quatro anos trabalhando no projeto, que além de JGU envolve o Observatório Europeu do Sul (ESO), a Universidade da Califórnia, Berkeley e Rochester Scientific nos EUA, o Instituto Nacional Italiano de Astrofísica (INAF-OAR), e a University of British Columbia em Vancouver, Canadá.

As estrelas-guia artificiais ajudam os astrônomos a corrigir as distorções da luz que viaja pela atmosfera. A luz da estrela guia artificial é coletada no solo por telescópios, e as informações são usadas para ajustar espelhos deformáveis ​​de última geração em tempo real, compensando as distorções e permitindo que objetos astronômicos sejam visualizados com nitidez, até a resolução óptica, o chamado limite de difração, do telescópio.

A precessão dos átomos de sódio revela a força do campo magnético

Os participantes do projeto colaborativo estão usando estrelas guia de laser para medir o campo magnético da Terra. Uma unidade ESO LGS dedicada à Pesquisa e Desenvolvimento está alojada no Observatório Roque de los Muchachos em La Palma, a ilha mais ocidental das Canárias. A disponibilidade e o uso da unidade LGS permitiu a realização dos experimentos conjuntos relatados, que também visam aumentar o brilho das estrelas guia do laser.

Do observatório, um feixe de laser é direcionado à camada de sódio, que excita e polariza o spin dos átomos, fazendo com que a maior parte de seu spin atômico aponte na mesma direção. Devido ao efeito do campo magnético circundante, os spins atômicos polarizados giram em torno da direção do campo magnético semelhante ao movimento de um giroscópio que é inclinado da vertical, um fenômeno conhecido como precessão de Larmor. "Uma estrela guia torna-se mais brilhante quando a frequência de modulação do nosso laser coincide com a frequência de precessão do sódio, "explicou Pedreros Bustos." Como a frequência de Larmor é proporcional à intensidade do campo magnético, podemos usar este método para medir o campo magnético da Terra na camada de sódio. "O esquema de detecção é semelhante ao de um estroboscópio.

Portanto, o grupo conseguiu usar uma ferramenta bem estudada, técnica de laboratório fundamental para observar o mundo natural. Ele preenche uma lacuna em nosso conhecimento do campo magnético da Terra, permitindo-nos fazer observações terrestres da mesosfera, que antes era de difícil acesso. Até agora, o campo magnético só poderia ser medido diretamente no solo, de aviões, de balões na estratosfera, ou de satélites.

Em maio de 2018, um grupo de pesquisa americano-americano publicou descobertas semelhantes. Contudo, essas últimas medições são muito mais precisas, e os cientistas esperam melhorá-los ainda mais usando lasers de alta energia. “Também podemos usar a técnica para estimar processos atômicos na atmosfera, por exemplo, com que frequência o sódio colide com outros átomos, como oxigênio ou nitrogênio. Isso é algo que não foi feito antes, "disse Pedreros Bustos.

Esta técnica de medição artificial de estrelas guia será particularmente útil em geofísica. Ele permitirá determinar as mudanças no campo magnético da ionosfera terrestre causadas pelos ventos solares. Além disso, a observação de correntes oceânicas e estruturas magnéticas em grande escala no manto superior seria viável por meio da vigilância contínua do campo magnético da Terra em altitudes de 85 a 100 quilômetros.