Quasars zijn buitengewoon verre hemellichamen die een enorme hoeveelheid licht afwerpen, en astrofysici gebruiken ze om kosmologische theorieën te onderzoeken.

In sommige gevallen, astrofysici hebben ze gebruikt om de snelheid te schatten waarmee het heelal uitdijt, de Hubble-constante genoemd.

Nutsvoorzieningen, een team van onderzoekers van de University of Michigan en het Institute of Astronomy van de University of Hawaii suggereren een nieuwe manier om ze te gebruiken om de uitdijing van het universum rechtstreeks te meten. Ze stellen een methode voor die intensiteitscorrelatiespikkels wordt genoemd om het verschil tussen de roodverschuiving te meten - waarin licht zich uitrekt terwijl het door een uitdijend heelal reist, waardoor zijn golflengte langer wordt - in twee lichtpaden van dezelfde quasar. De methode van het team is gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordeling A .

Wanneer een enorme cluster van melkwegstelsels tussen de aarde en een bepaalde quasar ligt, licht van dezelfde quasar kan rechtstreeks naar ons toe reizen of rond de cluster van sterrenstelsels buigen vanwege het effect van de zwaartekracht van de cluster. Licht dat rond clusters buigt, kan tot 100 jaar na licht dat in een rechte lijn naar de aarde reist, aankomen. Dit kan ertoe leiden dat een quasar een zogenaamde sterke lens wordt:voor onze ogen, wat eruit ziet als vier quasars is eigenlijk één quasar waarvan het licht naar ons wordt gebroken door de aantrekkingskracht van de clusters van voorgrondstelsels.

theoretisch, natuurkundigen zouden de roodverschuiving kunnen meten van het licht dat in een gebogen pad naar de aarde reist vanaf een enkele quasar en deze kunnen vergelijken met de roodverschuiving van het licht dat langs een ander pad naar de aarde reist. Echter, hoewel voor een klein aantal quasars tijdvertraging is bepaald door de tijdsvariatie in hun kleuren te meten, direct de kleine roodverschuiving tussen de twee paden meten, overeenkomend met een kleine uitdijing van het heelal gedurende een decennium of zo, tot nu toe niet mogelijk geweest.

"De roodverschuiving van deze verschillende beelden is vertraagd, en in die vertraging, het heelal is uitgebreid. Dit meten kan niet met gewone spectrografen, waar je de golflengte van het licht heel nauwkeurig meet voor twee dicht bij elkaar liggende lijnen. De reden dat dat niet kan, is omdat de lichtbron allerlei soorten atomen bevat die willekeurig bewegen en straling uitzenden die Doppler-verschoven is. " zei UM-natuurkundige Gregory Tarlé.

Deze verzameling Doppler-verschuivingen, genaamd Doppler-verbreding, zorgt ervoor dat lichtfrequenties zich binnen hetzelfde beeld zodanig verspreiden dat het moeilijk is om een ​​nauwkeurige meting te verkrijgen van de gemiddelde roodverschuiving van één quasar-beeld.

"Het project kwam voort uit een idee dat ik al een tijdje had, dat is om de uitdijing van het heelal rechtstreeks te meten. Het probleem is dat we geen spectrograaf hebben die de kleine roodverschuiving van het heelal in 100 jaar kan meten. "Zei kosmologietheoreticus Istvan Szapudi van de Universiteit van Hawaï. "Zo'n meting zou ons direct vertellen hoeveel het universum in 10 jaar is uitgebreid, uiteindelijk bepalen van de Hubble-constante, de huidige heilige graal van de kosmologie."

Tarlé en Szapudi benaderden U-M optische fysicus Robert Merlin, die suggereerde om een ​​methode uit de optische fysica te gebruiken die intensiteitscorrelatie wordt genoemd. Deze methode houdt rekening met de verzameling frequenties van dit Doppler-verbrede licht en comprimeert de frequenties tot een gemiddelde lijn. Tarlé vergelijkt het ook met de harmonie die je hoort wanneer twee zeer vergelijkbare stemvorken worden geraakt, of wanneer twee nauw gestemde snaren tegen elkaar worden getokkeld op een 12-snarige gitaar.

Het Doppler-effect wordt vaak omschreven als hoe een ambulance klinkt als deze je passeert. Merlijn vergelijkt zijn methode met een groep ambulances die naar het noorden reizen en een groep ambulances die naar het zuiden rijden. In de kakofonie van geluid geproduceerd door de kudde ambulances, een enkele dreunende noot zou doorkomen.

"In deze twee groepen Ik probeer de gemiddelde geluidsfrequentie te meten, en deze twee groepen hebben bijna hetzelfde gemiddelde - de verschillen zijn zo klein, "Zei Merlijn. "Maar deze methode meet het verschil van het gemiddelde heel precies."

Door deze benadering toe te passen op licht van quasars, het licht dat langs één pad naar de aarde buigt, heeft één gemiddelde frequentie, en het licht dat langs een ander pad buigt, heeft een andere gemiddelde frequentie. De methode van Merlijn meet het verschil tussen die twee gemiddelden. Als het ontdekt dat één pad van licht reist, bijvoorbeeld, met 50 mijl per uur, en een tijdje later, reist met 52 mijl per uur, de natuurkundigen kunnen de versnelling van de quasar bedenken.

"Ons effect maakt gebruik van het feit dat Doppler en andere vormen van verbreding weinig effect hebben op het relatieve verschil tussen de kleuren van het licht dat door de atomen wordt uitgestraald als de onverbrede kleuren erg op elkaar lijken, " zei Noah Groen, een afgestudeerde UM-student natuurkunde en co-auteur van papier. "Het is alsof onze ambulances elk twee claxons hebben die toonhoogtes spelen die muzikaal heel dicht bij elkaar liggen, en uit de kakofonie kunnen we achterhalen hoe ver die toonhoogtes uit elkaar liggen."

In principe, zeggen de onderzoekers, als ze de versnelling van vele honderden quasars kunnen meten, bij verschillende roodverschuivingen, ze kunnen de versnelling van het heelal meten.

De nieuwe methode is gelijk aan ultrahoge resolutie spectroscopie, zegt Szapudi. Het zou niet alleen voor het eerst de directe meting van de uitdijing van het heelal mogelijk maken, maar er zijn misschien andere toepassingen die de onderzoekers nog niet hebben bedacht.

Tarlé zegt dat de volgende stappen om deze theorie te testen zouden zijn om instrumenten te ontwikkelen die op grote telescopen op de grond kunnen worden geplaatst. Dit instrument zou nauwkeurig de aankomsttijd meten van fotonen die worden uitgezonden door quasars met een sterke lens, zodat natuurkundigen de roodverschuiving van de quasar konden bepalen.

"En als we dat zouden kunnen doen, dan zouden we niet alleen de Hubble-constante direct kunnen meten als een functie van roodverschuiving, we konden ook de impact van donkere energie op de versnelling van het heelal meten, "zei Tarlé. "Dit is waarom dit zo spannend is."