En ny optisk fysikmetode til at måle udvidelsen af ​​universet

Kvasarer er ekstraordinært fjerne himmellegemer, der kaster en enorm mængde lys fra sig, og astrofysikere bruger dem til at undersøge kosmologiske teorier.

I nogle tilfælde, astrofysikere har brugt dem til at estimere den hastighed, hvormed universet ekspanderer, kaldet Hubble-konstanten.

Nu, et team af forskere fra University of Michigan og University of Hawaii's Institute of Astronomy foreslår en ny måde at bruge dem til at måle udvidelsen af ​​universet direkte. De foreslår en metode kaldet intensitetskorrelationspletter til at måle forskellen mellem rødforskydningen - hvor lyset strækker sig, mens det rejser gennem et ekspanderende univers, får dens bølgelængde til at forlænges - i to lysbaner fra den samme kvasar. Holdets metode blev offentliggjort i tidsskriftet Fysisk gennemgang A .

Når en massiv galaksehob ligger mellem Jorden og en given kvasar, lys fra den samme kvasar kan rejse direkte til os eller bøje rundt om galaksehoben på grund af virkningen af ​​hobens tyngdekraft. Lys, der bøjer rundt om klynger, kan ankomme op til 100 år efter lys, der bevæger sig til Jorden i en lige linje. Dette kan få en kvasar til at blive det, der kaldes stærkt linse:For vores øjne, det, der ligner fire kvasarer, er faktisk én kvasar, hvis lys brydes til os af forgrundsgalaksehobenes tyngdekraft.

Teoretisk set fysikere kunne måle rødforskydningen af ​​lyset, der bevæger sig på en buet vej til Jorden fra en enkelt kvasar og sammenligne det med rødforskydningen af ​​lyset, der bevæger sig til Jorden ad en anden vej. Imidlertid, selvom tidsforsinkelse er blevet bestemt for et lille antal kvasarer ved at måle tidsvariationen i deres farver, direkte måling af den lille rødforskydning mellem de to stier, svarende til en lille udvidelse af universet i løbet af et årti eller deromkring, har hidtil ikke været muligt.

"Rødforskydningen af ​​disse forskellige billeder er forsinket, og i den forsinkelse, universet er udvidet. At måle dette kan ikke gøres med almindelige spektrografer, hvor du måler lysets bølgelængde meget præcist for to linjer med tæt afstand. Grunden til, at det ikke kan lade sig gøre er, at lyskilden indeholder alle mulige slags atomer, der bevæger sig tilfældigt og udsender stråling, der er Doppler-forskydet, " sagde U-M fysiker Gregory Tarlé.

Denne samling af Doppler-skift, kaldet Doppler-udvidelse, får lysfrekvenser til at sprede sig inden for det samme billede i en sådan grad, at det er svært at opnå en nøjagtig måling af den gennemsnitlige rødforskydning af et kvasarbillede.

"Projektet kom ud af en idé, jeg havde et stykke tid, som skal måle universets ekspansion direkte. Problemet er, at vi ikke har nogen spektrograf, der kan måle den lille rødforskydning af universet, der sker om 100 år, "sagde kosmologi -teoretikeren Istvan Szapudi på Hawaii, Hawaii." En sådan måling ville direkte fortælle os, hvor meget universet ekspanderede på 10 år, til sidst at bestemme Hubble-konstanten, kosmologiens nuværende hellige gral."

Tarlé og Szapudi henvendte sig til U-M optisk fysiker Robert Merlin, der foreslog at bruge en metode fra optisk fysik kaldet intensitetskorrelation. Denne metode tager højde for samlingen af ​​frekvenser af dette Doppler-udvidede lys og komprimerer frekvenserne til en gennemsnitlig linje. Tarlé ligner det også med den harmoni, du hører, når to meget lignende tuning gafler bliver ramt, eller når to tæt tunede strenge er strummet sammen på en 12-strenget guitar.

Doppler-effekten beskrives ofte som, hvordan en ambulance lyder, når den passerer dig. Merlin sammenligner sin metode med en gruppe ambulancer, der rejser nordpå og en gruppe ambulancer, der rejser sydpå. I kakofonien af ​​lyd produceret af flokken af ​​ambulancer, en enkelt bankende tone ville komme igennem.

"I disse to grupper, Jeg prøver at måle den gennemsnitlige lydfrekvens, og disse to grupper har næsten det samme gennemsnit - forskellene er så små, "Merlin sagde." Men denne metode måler forskellen i gennemsnittet meget præcist. "

Anvendelse af denne tilgang til lys fra kvasarer, lyset, der bøjer sig til Jorden langs én vej, har en gennemsnitlig frekvens, og lyset, der bøjer langs en anden vej, har en anden gennemsnitlig frekvens. Merlins metode måler forskellen mellem disse to gennemsnit. Hvis den opdager, at en lysvej bevæger sig, for eksempel, med 50 miles i timen, og en vis tid senere, kører med 52 miles i timen, fysikerne kan forestille kvasarens acceleration.

"Vores effekt udnytter det faktum, at Doppler og andre former for udvidelse har ringe indflydelse på den relative forskel mellem lysets farver, der udsendes af atomerne, hvis de uudvidede farver er meget ens, " sagde Noah Green, en UM fysik kandidatstuderende og papirforfatter. "Det er, som om vores ambulancer hver har to klaxoner, der spiller pladser, der musikalsk er meget tæt på hinanden, og ud af kakofonien kan vi finde ud af, hvor langt fra hinanden disse pladser er."

I princippet, siger forskerne, hvis de kan måle accelerationen af ​​mange hundrede kvasarer, ved forskellige rødforskydninger, de kan måle universets acceleration.

Den nye metode svarer til spektroskopi med ultrahøj opløsning, siger Szapudi. Ikke alene kunne det tillade direkte måling af universets udvidelse for første gang, men der kan være andre applikationer, som forskerne endnu ikke har forestillet sig.

Tarlé siger, at næste skridt til at teste denne teori vil være at udvikle instrumentering, der kan placeres på store jordbaserede teleskoper. Dette instrument ville præcist måle ankomsttiden for fotoner udsendt af stærkt linsede kvasarer, så fysikere kunne bestemme kvasarens rødforskydning.

"Og så hvis vi kunne gøre det, så kunne vi ikke kun måle Hubble-konstanten direkte som en funktion af rødt skift, vi kunne også måle indvirkningen af ​​mørk energi på universets acceleration, " sagde Tarlé. "Det er derfor, det er så spændende."