Una nuova tecnica potrebbe utilizzare i quasar per misurare direttamente il tasso di espansione dell'universo
Una delle maggiori sfide per misurare l'espansione dell'universo è il fatto che molti dei metodi che utilizziamo dipendono dal modello. L'esempio più famoso è l'uso di supernovae lontane, in cui confrontiamo la luminosità standard di una supernova di tipo Ia con la loro luminosità apparente per trovare la loro distanza. Ma conoscere la luminosità standard dipende dal confronto con la luminosità delle variabili Cefeidi che è a sua volta determinata misurando le distanze delle stelle vicine tramite la parallasse. Ogni gradino di questa scala della distanza cosmica dipende dal gradino che lo precede.
Vari metodi di misura della distanza cosmica. Credito: utente di Wikipedia Brews O'Hare
Ciò non significa che le nostre misurazioni della distanza siano necessariamente sbagliate, ma le rende più vulnerabili agli errori sistematici. Negli ultimi anni è diventato chiaro che le nostre varie misure di espansione cosmica non sono del tutto d'accordo, quindi o un errore sistematico si è insinuato nei nostri dati, o qualcosa non va nel nostro modello cosmologico. Una via d'uscita da questo pasticcio sarebbe trovare nuovi modi per misurare l'espansione cosmica. Preferibilmente metodi che non dipendono dal modello. Abbiamo fatto un bel po' di progressi in questo settore. I metodi che utilizzano fenomeni come i maser astronomici e le onde gravitazionali hanno mostrato molte promesse. E un recente studio inRevisione fisica Aintroduce un metodo che utilizza quasar e lenti gravitazionali.
La lente gravitazionale può far sì che un quasar crei molte immagini. Credito: NASA/ESA/D. Giocatore (STScI)
I quasar sono oggetti incredibilmente luminosi e distanti. Sono alimentati da buchi neri supermassicci attivi nelle giovani galassie. La luce che vediamo dai quasar ha viaggiato per miliardi di anni per raggiungerci, quindi è spostata verso il rosso dall'espansione dell'universo durante quel periodo. Piuttosto che provare a misurare la distanza di questi quasar, questo nuovo metodo esamina i quasar che sono lenti gravitazionalmente da galassie più vicine.
Quando una galassia si trova tra noi e un quasar distante, la massa gravitazionale della galassia piega la luce del quasar attorno alla galassia. Di conseguenza, spesso possiamo vedere più immagini del quasar piuttosto che una singola immagine. Ognuna di queste immagini è il risultato di un diverso percorso di luce in quanto è illuminato dalla galassia. A causa della lente gravitazionale, i percorsi luminosi di queste immagini possono differire in distanza di decine di anni luce. Quindi le immagini di quasar che vediamo possono differire per età di decenni. Poiché l'universo è in continua espansione, un'immagine di quasar più giovane sarà spostata meno verso il rosso di una più vecchia.
L'idea alla base di questo nuovo lavoro è meravigliosamente semplice. Basta confrontare gli spostamenti verso il rosso delle immagini dei quasar lenti vicino a una galassia e puoi determinare quanto l'universo si è espanso in un decennio o un secolo. Fallo con le galassie a varie distanze e potrai determinare non solo la velocità di espansione cosmica, ma anche se tale velocità è cambiata nel tempo.
L'allargamento delle righe spettrali. Credito: Swinburne University of Technology
In pratica, confrontare questi redshift è molto difficile. La differenza di redshift tra due immagini di quasar è estremamente piccola, e poiché la luce ha viaggiato così lontano, le sue linee spettrali sono sfocate dal gas che ha attraversato per raggiungerci. È un effetto noto come allargamento Doppler. Quindi non possiamo confrontare direttamente i redshift.
Per superare questo problema, il team propone un metodo chiamato macchioline di correlazione dell'intensità. Il metodo prende la luce ampliata Doppler di un'immagine quasar e la comprime in una linea media. Poiché due immagini con obiettivo avranno un ampliamento Doppler simile quando vengono compresse, la loro principale differenza sarà la loro differenza nel redshift. Le due immagini possono quindi essere confrontate in base al modo in cui interferiscono o si macchiano. È un effetto ottico simile al modo in cui due note musicali leggermente diverse possono interferire per creare un tono gorgheggiante.
In linea di principio, questo metodo potrebbe darci una misura dettagliata dell'evoluzione dell'espansione cosmica e potrebbe risolvere la tensione della cosmologia moderna. Il prossimo passo è creare un rivelatore per telescopi terrestri che possa effettuare una tale misurazione.
Riferimento:Merlino, R., et al. “ Le macchioline di correlazione dell'intensità come tecnica per rimuovere l'allargamento Doppler . 'Revisione fisica A103.4 (2021): L041701.