Les quasars sont des objets célestes extraordinairement distants qui projettent une énorme quantité de lumière, et les astrophysiciens les utilisent pour sonder les théories cosmologiques.

Dans certains cas, les astrophysiciens les ont utilisés pour estimer la vitesse à laquelle l'univers s'étend, appelée constante de Hubble.

Maintenant, une équipe de chercheurs de l'Université du Michigan et de l'Institut d'astronomie de l'Université d'Hawaï suggèrent une nouvelle façon de les utiliser pour mesurer directement l'expansion de l'univers. Ils proposent une méthode appelée speckles de corrélation d'intensité pour mesurer la différence entre le décalage vers le rouge, dans lequel la lumière s'étire lorsqu'elle traverse un univers en expansion, provoquant l'allongement de sa longueur d'onde - en deux chemins de lumière provenant du même quasar. La méthode de l'équipe a été publiée dans la revue Examen physique A .

Lorsqu'un amas de galaxies massif se trouve entre la Terre et un quasar donné, la lumière du même quasar peut voyager directement vers nous ou se courber autour de l'amas de galaxies en raison de l'effet de la gravité de l'amas. La lumière qui se courbe autour des amas peut arriver jusqu'à 100 ans après la lumière qui se rend sur Terre en ligne droite. Cela peut faire qu'un quasar devienne ce que l'on appelle fortement lentille :à nos yeux, ce qui ressemble à quatre quasars est en fait un quasar dont la lumière nous est réfractée par l'attraction gravitationnelle des amas de galaxies au premier plan.

Théoriquement, les physiciens pourraient mesurer le décalage vers le rouge de la lumière qui se dirige vers la Terre à partir d'un seul quasar et le comparer au décalage vers le rouge de la lumière qui se déplace vers la Terre le long d'un chemin différent. Cependant, bien que le retard ait été déterminé pour un petit nombre de quasars en mesurant la variation temporelle de leurs couleurs, mesurer directement le petit décalage vers le rouge entre les deux trajets, correspondant à une petite expansion de l'univers pendant une dizaine d'années, n'a pas été possible jusqu'à présent.

"Le décalage vers le rouge de ces différentes images est retardé, et dans ce délai, l'univers s'est agrandi. Mesurer cela ne peut pas être fait avec des spectrographes ordinaires, où vous mesurez la longueur d'onde de la lumière très précisément pour deux lignes rapprochées. La raison pour laquelle cela ne peut pas être fait est que la source lumineuse contient toutes sortes d'atomes qui se déplacent de manière aléatoire et émettent un rayonnement Doppler décalé, " a déclaré le physicien U-M Gregory Tarlé.

Cette collection de décalages Doppler, appelé élargissement Doppler, provoque l'étalement des fréquences lumineuses au sein d'une même image au point qu'il est difficile d'obtenir une mesure précise du redshift moyen d'une image de quasar.

"Le projet est né d'une idée que j'avais depuis un moment, qui consiste à mesurer directement l'expansion de l'univers. Le problème est que nous n'avons pas de spectrographe qui pourrait mesurer le petit décalage vers le rouge de l'univers qui se produit en 100 ans, " a déclaré Istvan Szapudi, théoricien de la cosmologie de l'Université d'Hawaï. " Une telle mesure nous dirait directement à quel point l'univers s'est étendu en 10 ans, déterminer éventuellement la constante de Hubble, le Saint Graal actuel de la cosmologie."

Tarlé et Szapudi ont approché le physicien optique U-M Robert Merlin, qui a suggéré d'utiliser une méthode de la physique optique appelée corrélation d'intensité. Cette méthode prend en compte la collection de fréquences de cette lumière élargie au Doppler et compresse les fréquences en une raie moyenne. Tarlé l'assimile aussi à l'harmonie que l'on entend lorsque l'on frappe deux diapasons très similaires, ou lorsque deux cordes étroitement accordées sont grattées ensemble sur une guitare à 12 cordes.

L'effet Doppler est souvent décrit comme le son d'une ambulance lorsqu'elle passe à côté de vous. Merlin compare sa méthode à un groupe d'ambulances voyageant vers le nord et à un groupe d'ambulances voyageant vers le sud. Dans la cacophonie du son produit par le troupeau d'ambulances, une seule note vrombissante sortirait.

« Dans ces deux groupes, J'essaie de mesurer la fréquence sonore moyenne, et ces deux groupes ont presque la même moyenne - les différences sont si petites, " dit Merlin. " Mais cette méthode mesure très précisément la différence de la moyenne. "

En appliquant cette approche à la lumière des quasars, la lumière qui se penche vers la Terre le long d'un chemin a une fréquence moyenne, et la lumière courbée le long d'un autre chemin a une autre fréquence moyenne. La méthode de Merlin mesure la différence entre ces deux moyennes. S'il découvre qu'un chemin de lumière se déplace, par exemple, à 50 miles par heure, et un certain temps plus tard, voyage à 52 milles à l'heure, les physiciens peuvent imaginer l'accélération du quasar.

"Notre effet profite du fait que le Doppler et d'autres formes d'élargissement ont peu d'effet sur la différence relative entre les couleurs de la lumière émise par les atomes si les couleurs non élargies sont très similaires, " dit Noah Green, un étudiant diplômé en physique de l'UM et coauteur de l'article. "C'est comme si nos ambulances avaient chacune deux klaxons jouant des hauteurs musicalement très proches l'une de l'autre, et à partir de la cacophonie, nous pouvons déterminer à quelle distance ces hauteurs sont. "

En principe, disent les chercheurs, s'ils peuvent mesurer l'accélération de plusieurs centaines de quasars, à différents redshifts, ils peuvent mesurer l'accélération de l'univers.

La nouvelle méthode est équivalente à la spectroscopie ultra haute résolution, dit Szapudi. Non seulement pourrait-il permettre la mesure directe de l'expansion de l'univers pour la première fois, mais il pourrait y avoir d'autres applications que les chercheurs n'ont pas encore imaginées.

Tarlé dit que les prochaines étapes pour tester cette théorie seraient de développer une instrumentation qui pourrait être placée sur de grands télescopes au sol. Cet instrument mesurerait avec précision le temps d'arrivée des photons émis par les quasars à lentilles puissantes afin que les physiciens puissent déterminer le décalage vers le rouge du quasar.

"Et donc si nous pouvions faire cela, nous pourrions non seulement mesurer la constante de Hubble directement en fonction du décalage vers le rouge, on pourrait aussi mesurer l'impact de l'énergie noire sur l'accélération de l'univers, " dit Tarlé. " C'est pourquoi c'est si excitant. "