I quasar sono oggetti celesti straordinariamente distanti che emettono un'enorme quantità di luce, e gli astrofisici li usano per sondare le teorie cosmologiche.

In alcuni casi, gli astrofisici li hanno usati per stimare la velocità con cui l'universo si espande, chiamata costante di Hubble.

Ora, un team di ricercatori dell'Università del Michigan e dell'Istituto di Astronomia dell'Università delle Hawaii stanno suggerendo un nuovo modo di usarli per misurare direttamente l'espansione dell'universo. Propongono un metodo chiamato macchioline di correlazione dell'intensità per misurare la differenza tra il redshift, in cui la luce si estende mentre viaggia attraverso un universo in espansione, causando l'allungamento della sua lunghezza d'onda, in due percorsi di luce dallo stesso quasar. Il metodo del team è stato pubblicato sulla rivista Revisione fisica A .

Quando un enorme ammasso di galassie si trova tra la Terra e un dato quasar, la luce dello stesso quasar può viaggiare direttamente verso di noi o piegarsi attorno all'ammasso di galassie a causa dell'effetto della gravità dell'ammasso. La luce che si piega attorno agli ammassi può arrivare fino a 100 anni dopo la luce che viaggia verso la Terra in linea retta. Questo può far sì che un quasar diventi quello che viene chiamato fortemente lente:ai nostri occhi, quelli che sembrano quattro quasar sono in realtà un quasar la cui luce ci viene rifratta dall'attrazione gravitazionale degli ammassi di galassie in primo piano.

Teoricamente, i fisici potrebbero misurare lo spostamento verso il rosso della luce che viaggia lungo un percorso curvo verso la Terra da un singolo quasar e confrontarlo con lo spostamento verso il rosso della luce che viaggia verso la Terra lungo un percorso diverso. Però, sebbene il ritardo temporale sia stato determinato per un piccolo numero di quasar misurando la variazione temporale dei loro colori, misurando direttamente il minuscolo redshift tra i due percorsi, corrispondente a una piccola espansione dell'universo durante un decennio o giù di lì, non è stato possibile finora.

"Il redshift di queste diverse immagini è ritardato, e in quel ritardo, l'universo si è espanso. Misurare questo non può essere fatto con i normali spettrografi, dove si misura la lunghezza d'onda della luce in modo molto accurato per due linee ravvicinate. Il motivo per cui non si può fare è perché la sorgente di luce contiene tutti i tipi di atomi che si muovono in modo casuale ed emettono radiazioni con spostamento Doppler, ", ha detto il fisico di U-M Gregory Tarlé.

Questa raccolta di spostamenti Doppler, chiamato allargamento Doppler, fa sì che le frequenze della luce si diffondano all'interno della stessa immagine al punto che è difficile ottenere una misurazione accurata dello spostamento verso il rosso medio di un'immagine quasar.

"Il progetto è nato da un'idea che avevo da tempo, che è misurare direttamente l'espansione dell'universo. Il problema è che non abbiamo uno spettrografo in grado di misurare il piccolo redshift dell'universo che si verifica in 100 anni, " ha detto il teorico della cosmologia dell'Università delle Hawaii Istvan Szapudi. "Una tale misurazione ci direbbe direttamente quanto l'universo si è espanso in 10 anni, determinando infine la costante di Hubble, l'attuale Santo Graal della cosmologia."

Tarlé e Szapudi si sono avvicinati al fisico ottico dell'UM Robert Merlin, che ha suggerito di utilizzare un metodo della fisica ottica chiamato correlazione di intensità. Questo metodo tiene conto della raccolta di frequenze di questa luce diffusa dal Doppler e comprime le frequenze in una linea media. Tarlé lo paragona anche all'armonia che si sente quando si colpiscono due diapason molto simili, o quando due corde strettamente accordate vengono strimpellate insieme su una chitarra a 12 corde.

L'effetto Doppler è spesso descritto come il suono di un'ambulanza mentre ti passa accanto. Merlin paragona il suo metodo a un gruppo di ambulanze che viaggiano verso nord e un gruppo di ambulanze che viaggiano verso sud. Nella cacofonia del suono prodotto dalla mandria di ambulanze, sarebbe emersa una singola nota tambureggiante.

"In questi due gruppi, Sto cercando di misurare la frequenza media del suono, e questi due gruppi hanno quasi la stessa media:le differenze sono così piccole, " disse Merlino. "Ma questo metodo misura molto precisamente la differenza della media."

Applicando questo approccio alla luce dei quasar, la luce che si piega alla Terra lungo un percorso ha una frequenza media, e la luce che si piega lungo un altro percorso ha un'altra frequenza media. Il metodo di Merlin misura la differenza tra queste due medie. Se scopre che un sentiero di luce sta viaggiando, Per esempio, a 50 miglia orarie, e un certo tempo dopo, sta viaggiando a 52 miglia all'ora, i fisici possono escogitare l'accelerazione del quasar.

"Il nostro effetto sfrutta il fatto che il Doppler e altre forme di ampliamento hanno scarso effetto sulla differenza relativa tra i colori della luce emessa dagli atomi se i colori non estesi sono molto simili, " disse Noah Green, uno studente laureato in fisica UM e coautore di articoli. "È come se le nostre ambulanze avessero ciascuna due clacson che suonano toni musicalmente molto vicini tra loro, e fuori dalla cacofonia possiamo capire quanto sono distanti quei toni."

In linea di principio, dicono i ricercatori, se possono misurare l'accelerazione di molte centinaia di quasar, a diversi redshift, possono misurare l'accelerazione dell'universo.

Il nuovo metodo è equivalente alla spettroscopia ad altissima risoluzione, dice Szapudi. Non solo poteva consentire per la prima volta la misurazione diretta dell'espansione dell'universo, ma potrebbero esserci altre applicazioni che i ricercatori non hanno ancora immaginato.

Tarlé dice che i prossimi passi per testare questa teoria sarebbero lo sviluppo di strumenti che potrebbero essere posizionati su grandi telescopi terrestri. Questo strumento misurerebbe con precisione il tempo di arrivo dei fotoni emessi da quasar con lenti molto forti in modo che i fisici possano determinare il redshift del quasar.

"E quindi, se potessimo farlo, non solo potremmo misurare la costante di Hubble direttamente in funzione dello spostamento verso il rosso, potremmo anche misurare l'impatto dell'energia oscura sull'accelerazione dell'universo, " Ha detto Tarlé. "Questo è il motivo per cui è così eccitante".