Quasares são objetos celestes extraordinariamente distantes que emitem uma grande quantidade de luz, e os astrofísicos os usam para investigar teorias cosmológicas.
Em alguns casos, os astrofísicos os usaram para estimar a taxa de expansão do universo, chamada de constante de Hubble.
Agora, uma equipe de pesquisadores da Universidade de Michigan e do Instituto de Astronomia da Universidade do Havaí está sugerindo uma nova maneira de usá-los para medir a expansão do universo diretamente. Eles propõem um método chamado manchas de correlação de intensidade para medir a diferença entre o desvio para o vermelho – no qual a luz se estende enquanto viaja por um universo em expansão, fazendo com que seu comprimento de onda se alongue – em dois caminhos de luz do mesmo quasar. O método da equipe foi publicado na revista Physical Review A.
Quando um aglomerado de galáxias massivo fica entre a Terra e um determinado quasar, a luz do mesmo quasar pode viajar diretamente para nós ou se curvar ao redor do aglomerado de galáxias devido ao efeito da gravidade do aglomerado. A luz que se curva em torno dos aglomerados pode chegar até 100 anos após a luz que viaja para a Terra em linha reta. Isso pode fazer com que um quasar se torne o que é chamado de lente forte: aos nossos olhos, o que parece quatro quasares é na verdade um quasar cuja luz é refratada para nós pela atração gravitacional dos aglomerados de galáxias em primeiro plano.
Teoricamente, os físicos poderiam medir o desvio para o vermelho da luz que viaja em um caminho curvo para a Terra a partir de um único quasar e compará-lo ao desvio para o vermelho da luz que viaja para a Terra por um caminho diferente. No entanto, embora o atraso de tempo tenha sido determinado para um pequeno número de quasares medindo a variação de tempo em suas cores, medindo diretamente o pequeno desvio para o vermelho entre os dois caminhos, correspondendo a uma pequena expansão do universo durante uma década ou mais, não foi possível até agora.
“O desvio para o vermelho dessas diferentes imagens está atrasado e, nesse atraso, o universo se expandiu. Medir isso não pode ser feito com espectrógrafos comuns, onde você mede o comprimento de onda da luz com muita precisão para duas linhas próximas. A razão disso não pode ser feito porque a fonte de luz contém todos os tipos de átomos que se movem aleatoriamente e emitem radiação que é Doppler deslocada “, disse o físico da UM Gregory Tarlé.
Essa coleção de desvios Doppler, chamada de alargamento Doppler, faz com que as frequências de luz se espalhem na mesma imagem a ponto de ser difícil obter uma medição precisa do desvio médio para o vermelho de uma imagem de quasar.
“O projeto surgiu de uma ideia que eu tinha há um tempo, que é medir a expansão do universo diretamente. O problema é que não temos um espectrógrafo que pudesse medir o pequeno desvio para o vermelho do universo que acontece em 100 anos”, disse Teórico da cosmologia da Universidade do Havaí, Istvan Szapudi. “Tal medição nos diria diretamente quanto o universo se expandiu em 10 anos, eventualmente determinando a constante de Hubble, o presente santo graal da cosmologia.”
Tarlé e Szapudi abordaram o físico óptico Robert Merlin da U-M, que sugeriu o uso de um método da física óptica chamado correlação de intensidade. Este método leva em consideração a coleção de frequências desta luz Doppler ampliada e comprime as frequências em uma linha média. Tarlé compara isso também à harmonia que você ouve quando dois diapasões muito semelhantes são tocados ou quando duas cordas afinadas são tocadas juntas em um violão de 12 cordas.
O efeito Doppler é frequentemente descrito como o som de uma ambulância ao passar por você. Merlin compara seu método a um grupo de ambulâncias viajando para o norte e um grupo de ambulâncias viajando para o sul. Na cacofonia de som produzida pela manada de ambulâncias, uma única nota vibrante soou.
“Nesses dois grupos, estou tentando medir a frequência média do som, e esses dois grupos têm quase a mesma média – as diferenças são tão pequenas”, disse Merlin. “Mas esse método mede a diferença da média com muita precisão.”
Aplicando esta abordagem à luz dos quasares, a luz que se curva para a Terra ao longo de um caminho tem uma frequência média, e a luz que se curva ao longo de outro caminho tem outra frequência média. O método de Merlin mede a diferença entre essas duas médias. Se descobrir que um caminho de luz está viajando, por exemplo, a 50 milhas por hora, e um certo tempo depois, está viajando a 52 milhas por hora, os físicos podem conceber a aceleração do quasar.
“Nosso efeito tira vantagem do fato de que o Doppler e outras formas de alargamento têm pouco efeito sobre a diferença relativa entre as cores da luz emitida pelos átomos se as cores não difundidas forem muito semelhantes”, disse Noah Green, um estudante de graduação em física da UM e co-autor do artigo. “É como se cada uma de nossas ambulâncias tivesse duas buzinas tocando arremessos que são musicalmente muito próximos, e com a cacofonia podemos descobrir a que distância esses arremessos estão.”
Em princípio, dizem os pesquisadores, se eles podem medir a aceleração de muitas centenas de quasares, em diferentes redshifts, eles podem medir a aceleração do universo.
O novo método é equivalente à espectroscopia de ultra alta resolução, diz Szapudi. Não só poderia permitir a medição direta da expansão do universo pela primeira vez, mas poderia haver outras aplicações que os pesquisadores ainda não imaginaram.
Tarlé diz que os próximos passos para testar essa teoria seriam desenvolver instrumentação que pudesse ser colocada em grandes telescópios terrestres. Este instrumento mede com precisão o tempo de chegada dos fótons emitidos por quasares com lentes fortes, para que os físicos possam determinar o desvio para o vermelho do quasar.
“E se pudéssemos fazer isso, poderíamos não apenas medir a constante de Hubble diretamente como uma função do desvio para o vermelho, mas também medir o impacto da energia escura na aceleração do universo”, disse Tarlé. “É por isso que isso é tão emocionante.”
Publicado em 24/04/2021 14h38
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