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Proponen un nuevo método de física óptica para medir la expansión del universo

Los cuásares, objetos celestes extraordinariamente distantes que emiten una gran cantidad de luz, pueden ser utilizados para medir la expansión del universo directamente.

Astrofísicos de las universidades de Michigan y Hawai proponen un método llamado motas de correlación de intensidad para medir la diferencia entre el corrimiento al rojo, en el que la luz se estira a medida que viaja a través de un universo en expansión, haciendo que su longitud de onda se alargue, en dos trayectorias de luz del mismo cuásar. El nuevo método se presenta en la revista Physical Review A.

Cuando un cúmulo de galaxias masivo se encuentra entre la Tierra y un quásar dado, la luz del mismo cuásar puede viajar directamente a nosotros o doblarse alrededor del cúmulo de galaxias debido al efecto de la gravedad del cúmulo. La luz que se dobla alrededor de los cúmulos puede llegar hasta 100 años después de la luz que viaja a la Tierra en línea recta. Esto puede hacer que un cuásar se convierta en lo que se llama lente fuerte: para nuestros ojos, lo que parecen cuatro cuásares es en realidad un cuásar cuya luz es refractada hacia nosotros por la atracción gravitacional de los cúmulos de galaxias en primer plano.

Teóricamente, los físicos podrían medir el corrimiento al rojo de la luz que viaja en una trayectoria curva hacia la Tierra desde un solo cuásar y compararlo con el corrimiento al rojo de la luz que viaja a la Tierra por un camino diferente. Sin embargo, aunque se ha determinado el retardo de tiempo para un pequeño número de cuásares midiendo la variación temporal de sus colores, no se ha podido medir directamente el pequeño corrimiento al rojo entre los dos caminos, correspondiente a una pequeña expansión del universo durante una década más o menos.

“El desplazamiento al rojo de estas diferentes imágenes se retrasa, y en ese retraso, el universo se ha expandido. No se puede medir esto con espectrógrafos ordinarios, en los que se mide la longitud de onda de la luz con mucha precisión para dos líneas muy próximas. No se puede hacer porque la fuente de luz contiene todo tipo de átomos que se mueven aleatoriamente y emiten radiación con desplazamiento Doppler”, dijo en un comunicado el físico de la Universidad de Michigan Gregory Tarlé.

Esta colección de desplazamientos Doppler, denominada ensanchamiento Doppler, hace que las frecuencias de luz se extiendan dentro de la misma imagen hasta el punto de que es difícil obtener una medición precisa del desplazamiento al rojo medio de una imagen de cuásar.

“El proyecto surgió de una idea que tuve por un tiempo, que es medir la expansión del universo directamente. El problema es que no tenemos un espectrógrafo que pudiera medir el pequeño corrimiento al rojo del universo que ocurre en 100 años”, dijo Istvan Szapudi, teórico de la cosmología de la Universidad de Hawaii. “Tal medida nos diría directamente cuánto se expandió el universo en 10 años, determinando eventualmente la constante de Hubble, el actual santo grial de la cosmología”.

Tarlé y Szapudi se acercaron al físico óptico de Michigan Robert Merlin, quien sugirió usar un método de la física óptica llamado correlación de intensidad. Este método tiene en cuenta la colección de frecuencias de esta luz ampliada por Doppler y comprime las frecuencias en una línea promedio. Tarlé lo compara también con la armonía que se escucha cuando se golpean dos diapasones muy similares o cuando se tocan dos cuerdas muy afinadas en una guitarra de 12 cuerdas.

El efecto Doppler a menudo se describe como el sonido de una ambulancia cuando pasa junto a usted. Merlín compara su método con un grupo de ambulancias que viajan hacia el norte y un grupo de ambulancias que viajan hacia el sur. En la cacofonía de sonido producida por la manada de ambulancias, se oía una sola nota vibrante.

“En estos dos grupos, estoy tratando de medir la frecuencia de sonido promedio, y estos dos grupos tienen casi el mismo promedio, las diferencias son tan pequeñas”, dijo Merlin. “Pero este método mide la diferencia del promedio con mucha precisión”.

Aplicando este enfoque a la luz de los cuásares, la luz que se dobla hacia la Tierra a lo largo de un camino tiene una frecuencia promedio, y la luz que se dobla a lo largo de otro camino tiene otra frecuencia promedio. El método de Merlin mide la diferencia entre esos dos promedios. Si encuentra que un camino de luz viaja, por ejemplo, a 50 millas por hora, y un cierto tiempo después, viaja a 52 millas por hora, los físicos pueden idear la aceleración del cuásar.

“Nuestro efecto aprovecha el hecho de que el Doppler y otras formas de ensanchamiento tienen poco efecto sobre la diferencia relativa entre los colores de la luz emitida por los átomos si los colores no ensanchados son muy similares”, dijo Noah Green, un estudiante graduado de física de Michigan y coautor del artículo. “Es como si cada una de nuestras ambulancias tuviera dos claxon tocando lanzamientos musicalmente muy juntos, y fuera de la cacofonía pudiéramos averiguar qué tan separados están esos lanzamientos”.