La mesosfera, ad altezze comprese tra 85 e 100 chilometri sopra la superficie terrestre, contiene uno strato di sodio atomico. Gli astronomi usano i raggi laser per creare stelle artificiali, o stelle guida laser (LGS), in questo strato per migliorare la qualità delle osservazioni astronomiche. Nel 2011, i ricercatori hanno proposto che le stelle guida artificiali potrebbero essere utilizzate anche per misurare il campo magnetico terrestre nella mesosfera. Un gruppo internazionale di scienziati è recentemente riuscito a farlo con un alto grado di precisione. La tecnica può anche aiutare a identificare le strutture magnetiche nella litosfera terrestre solida, per monitorare il tempo spaziale, e per misurare le correnti elettriche nella parte dell'atmosfera chiamata ionosfera.

Gli astronomi hanno utilizzato i laser per generare stelle artificiali negli ultimi 20 anni. Un raggio laser viene diretto dal suolo nell'atmosfera. Nello strato di sodio, colpisce atomi di sodio, che assorbono l'energia del laser e poi iniziano a brillare. "Gli atomi emettono luce in tutte le direzioni. Tali stelle artificiali sono appena visibili ad occhio nudo ma possono essere osservate con i telescopi, " ha spiegato Felipe Pedreros Bustos della Johannes Gutenberg University Mainz (JGU). In relazione al lavoro sulla sua tesi di dottorato, il fisico cileno ha trascorso quattro anni a lavorare al progetto, che oltre a JGU coinvolge l'Osservatorio Europeo Australe (ESO), l'Università della California, Berkeley e Rochester Scientific negli Stati Uniti, l'Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF-OAR), e l'Università della Columbia Britannica a Vancouver, Canada.

Le stelle guida artificiali aiutano gli astronomi a correggere le distorsioni della luce che viaggia attraverso l'atmosfera. La luce della stella guida artificiale viene raccolta a terra da telescopi, e le informazioni vengono utilizzate per regolare in tempo reale specchi deformabili all'avanguardia, compensando le distorsioni e consentendo di riprendere immagini nitide degli oggetti astronomici, fino alla risoluzione ottica, il cosiddetto limite di diffrazione, del telescopio.

La precessione degli atomi di sodio rivela la forza del campo magnetico

I partecipanti al progetto collaborativo utilizzano stelle guida laser per misurare il campo magnetico terrestre. Un'unità ESO LGS dedicata alla ricerca e sviluppo è ospitata nell'Osservatorio del Roque de los Muchachos a La Palma, l'isola più occidentale delle Canarie. La disponibilità e l'utilizzo dell'unità LGS ha consentito di eseguire gli esperimenti congiunti riportati, che mirano anche ad aumentare la luminosità delle stelle guida laser.

Dall'osservatorio, un raggio laser è diretto allo strato di sodio che eccita e polarizza lo spin degli atomi facendo la maggior parte del loro punto di spin atomico nella stessa direzione. A causa dell'effetto del campo magnetico circostante, gli spin atomici polarizzati ruotano attorno alla direzione del campo magnetico simile al movimento di un giroscopio che è inclinato rispetto alla verticale, un fenomeno noto come precessione di Larmor. "Una stella guida diventa più luminosa quando la frequenza di modulazione del nostro laser coincide con la frequenza di precessione del sodio, " ha spiegato Pedreros Bustos. "Poiché la frequenza di Larmor è proporzionale alla forza del campo magnetico, possiamo usare questo metodo per misurare il campo magnetico terrestre nello strato di sodio." Lo schema di rilevamento è simile a uno stroboscopio.

Quindi, il gruppo è riuscito a utilizzare un ben studiato, tecnica di laboratorio fondamentale per osservare il mondo naturale. Colma una lacuna nella nostra conoscenza del campo magnetico terrestre, permettendoci di fare osservazioni a terra della mesosfera, che prima era di difficile accesso. Fino ad ora, il campo magnetico poteva essere misurato solo direttamente a terra, dagli aerei, dai palloni nella stratosfera, o dai satelliti.

A maggio 2018, un gruppo di ricerca americano-americano aveva pubblicato risultati simili. Però, queste ultime misurazioni sono molto più precise, e gli scienziati sperano di migliorarli ulteriormente utilizzando laser a energia più elevata. "Possiamo anche usare la tecnica per stimare i processi atomici nell'atmosfera, Per esempio, quanto spesso il sodio si scontra con altri atomi come ossigeno o azoto. Questo è qualcosa che non è stato fatto prima, " disse Pedreros Bustos.

Questa tecnica di misurazione della stella guida artificiale sarà particolarmente utile in geofisica. Permetterà di determinare le variazioni del campo magnetico della ionosfera terrestre causate dai venti solari. Inoltre, l'osservazione delle correnti oceaniche e delle strutture magnetiche su larga scala nel mantello superiore sarebbe fattibile mediante la sorveglianza continua del campo magnetico terrestre ad altitudini comprese tra 85 e 100 chilometri.