Kvasarer är extraordinärt avlägsna himlaobjekt som kastar ifrån sig en enorm mängd ljus, och astrofysiker använder dem för att undersöka kosmologiska teorier.

I vissa fall, astrofysiker har använt dem för att uppskatta hastigheten med vilken universum expanderar, kallas Hubble-konstanten.

Nu, ett team av forskare från University of Michigan och University of Hawaiis Institute of Astronomy föreslår ett nytt sätt att använda dem för att direkt mäta universums expansion. De föreslår en metod som kallas intensitetskorrelationsfläckar för att mäta skillnaden mellan rödförskjutningen - där ljus sträcker sig när det färdas genom ett expanderande universum, vilket gör att dess våglängd förlängs - i två ljusbanor från samma kvasar. Teamets metod publicerades i tidskriften Fysisk granskning A .

När en massiv galaxhop ligger mellan jorden och en given kvasar, ljus från samma kvasar kan färdas direkt till oss eller böja sig runt galaxhopen på grund av effekten av klustrets gravitation. Ljus som böjer sig runt kluster kan komma upp till 100 år efter ljus som färdas till jorden i en rak linje. Detta kan få en kvasar att bli det som kallas starkt objektiv:För våra ögon, det som ser ut som fyra kvasarer är faktiskt en kvasar vars ljus bryts till oss av förgrundsgalaxhoparnas gravitationskraft.

Teoretiskt sett, fysiker kan mäta rödförskjutningen av ljuset som färdas i en krökt bana till jorden från en enda kvasar och jämföra den med rödförskjutningen av ljuset som färdas till jorden längs en annan bana. Dock, även om tidsfördröjning har bestämts för ett litet antal kvasarer genom att mäta tidsvariationen i deras färger, direkt mäter den lilla rödförskjutningen mellan de två banorna, motsvarande en liten expansion av universum under ett decennium eller så, har hittills inte varit möjligt.

"Rödförskjutningen av dessa olika bilder är försenad, och i den fördröjningen, universum har expanderat. Att mäta detta kan inte göras med vanliga spektrografer, där man mäter ljusets våglängd mycket exakt för två tätt åtskilda linjer. Anledningen till att det inte kan göras är att ljuskällan innehåller alla sorters atomer som rör sig slumpmässigt och avger strålning som är Doppler-förskjuten, " sa U-M fysikern Gregory Tarlé.

Denna samling av dopplerskift, kallas Dopplerbreddning, gör att ljusfrekvenser sprids ut inom samma bild i den utsträckningen att det är svårt att få en exakt mätning av den genomsnittliga rödförskjutningen för en kvasarbild.

"Projektet kom ur en idé jag haft ett tag, som ska mäta universums expansion direkt. Problemet är att vi inte har någon spektrograf som kan mäta den lilla rödförskjutning av universum som sker om 100 år, " sa University of Hawaii kosmologiteoretiker Istvan Szapudi. "En sådan mätning skulle direkt berätta för oss hur mycket universum expanderade på 10 år, så småningom bestämma Hubble-konstanten, kosmologins nuvarande heliga gral."

Tarlé och Szapudi kontaktade UM optisk fysiker Robert Merlin, som föreslog att använda en metod från optisk fysik som kallas intensitetskorrelation. Denna metod tar hänsyn till insamlingen av frekvenser för detta Doppler-breddade ljus och komprimerar frekvenserna till en medellinje. Tarlé liknar det också med harmonin du hör när två mycket lika stämgafflar träffas, eller när två tättstämda strängar klumpas ihop på en 12-strängad gitarr.

Dopplereffekten beskrivs ofta som hur en ambulans låter när den passerar dig. Merlin jämför sin metod med en grupp ambulanser som reser norrut och en grupp ambulanser som reser söderut. I kakofonien av ljud som produceras av flocken av ambulanser, en enda pulserande ton skulle komma fram.

"I dessa två grupper, Jag försöker mäta den genomsnittliga ljudfrekvensen, och dessa två grupper har nästan samma genomsnitt – skillnaderna är så små, Merlin sa. "Men den här metoden mäter skillnaden mellan genomsnittet mycket exakt."

Tillämpa detta tillvägagångssätt för ljus från kvasarer, ljuset som böjer sig mot jorden längs en väg har en genomsnittlig frekvens, och ljuset som böjs längs en annan väg har en annan medelfrekvens. Merlins metod mäter skillnaden mellan dessa två medelvärden. Om den upptäcker att en ljusväg färdas, till exempel, i 50 miles per timme, och en viss tid senare, färdas i 52 miles i timmen, fysikerna kan tänka ut kvasarens acceleration.

"Vår effekt drar fördel av det faktum att Doppler och andra former av breddning har liten effekt på den relativa skillnaden mellan färgerna på ljuset som emitteras av atomerna om de oförbreddade färgerna är väldigt lika, sa Noah Green, en U-M fysik doktorand och papper medförfattare. "Det är som om var och en av våra ambulanser har två klaxoner som spelar tonhöjder som är musikaliskt mycket nära varandra, och utifrån kakofonien kan vi ta reda på hur långt ifrån de tonhöjderna är."

I princip, forskarna säger, om de kan mäta accelerationen av många hundra kvasarer, vid olika rödskiftningar, de kan mäta universums acceleration.

Den nya metoden motsvarar ultrahögupplöst spektroskopi, säger Szapudi. Inte bara kunde det tillåta direkt mätning av universums expansion för första gången, men det kan finnas andra tillämpningar som forskarna ännu inte har föreställt sig.

Tarlé säger att nästa steg för att testa denna teori skulle vara att utveckla instrumentering som kan placeras på stora markbaserade teleskop. Detta instrument skulle exakt mäta ankomsttiden för fotoner som emitteras av starkt linsade kvasarer så att fysiker kunde fastställa kvasarens rödförskjutning.

"Och så om vi kunde göra det då kunde vi inte bara mäta Hubble -konstanten direkt som en funktion av rött skift, vi kan också mäta effekten av mörk energi på universums acceleration, " sa Tarlé. "Det är därför det här är så spännande."