Международная команда астрономов с беспрецедентной точностью измерила содержание гелия, образовавшегося в первые минуты после Большого взрыва. Погрешность составила всего 0,5% — втрое меньше, чем в предыдущих оценках. Результат поможет ученым проверить, насколько хорошо современные физические теории описывают условия, в которых находилась Вселенная в самом начале своей истории.

Исследование основано на 130 часах наблюдений с помощью Большого бинокулярного телескопа (Large Binocular Telescope). Результаты представлены в пяти статьях, опубликованных в The Astrophysical Journal, рассказывает sciencedaily.com.

Почему количество гелия рассказывает о ранней Вселенной

Согласно современной космологической модели, Вселенная начала расширяться около 13,8 миллиарда лет назад из чрезвычайно горячего и плотного состояния. Одним из важнейших подтверждений этой картины служит химический состав ранней Вселенной, в том числе количество гелия и дейтерия, образовавшихся в первые минуты после Большого взрыва.

В этот период температура и плотность вещества позволяли протекать ядерным реакциям, в ходе которых возникали первые легкие элементы. Их первоначальные пропорции зависели от физических условий в молодой Вселенной, поэтому ученые могут использовать эти данные для проверки космологических моделей.

Однако измерить первичное содержание гелия непросто. За миллиарды лет звезды производили новые порции этого элемента, изменяя химический состав окружающего газа. Чтобы восстановить исходные значения, астрономам необходимо исследовать объекты, в которых подобные изменения были минимальными.

Далекие галактики помогли заглянуть в прошлое

Вместо традиционного подхода, предполагающего изучение большого числа галактик с последующей экстраполяцией результатов, исследователи сосредоточились на 15 небольших и исключительно бедных тяжелыми элементами галактиках. Их химический состав изменился сравнительно мало, поэтому они сохраняют сведения о веществе, близком по составу к первичному.

Ученые использовали спектрографы MODS, разработанные в Университете штата Огайо. Эти приборы позволили одновременно исследовать более десяти спектральных линий гелия и пятнадцати линий водорода.

Спектральные линии возникают, когда атомы поглощают или испускают свет на определенных длинах волн. По их характеристикам астрономы определяют химический состав удаленных объектов и оценивают содержание отдельных элементов.

Одновременный анализ большого числа линий помог исследователям выявить и скорректировать небольшие источники погрешностей, которые могли остаться незамеченными при менее точных измерениях. Это особенно важно, когда необходимо добиться неопределенности менее одного процента.

В итоге команда получила оценку с погрешностью всего 0,5%. По словам Эвана Скиллмана, профессора Университета Миннесоты в Твин-Ситис, участвовавшего в работе, это один из наиболее значимых результатов его 40-летней научной карьеры.

Что измерение гелия говорит о законах физики

Полученные данные важны не только для уточнения химического состава ранней Вселенной. Они позволяют проверить Стандартную модель физики элементарных частиц — теоретическую основу, описывающую известные элементарные частицы и их взаимодействия.

Количество первичного гелия зависит от условий, в которых происходили первые ядерные реакции. В частности, на него влияет число типов частиц, участвовавших в физических процессах того времени.

Используя новое измерение, исследователи смогли рассчитать число семейств нейтрино в ранней Вселенной. Нейтрино — чрезвычайно легкие элементарные частицы, которые играют важную роль в физике частиц и космологии.

Таким образом, содержание гелия становится своеобразным космическим тестом фундаментальных законов природы. Если расчеты, основанные на существующих теориях, не совпадут с достаточно точными наблюдениями, это может указать на необходимость пересмотра отдельных представлений о ранней Вселенной.

При этом высокая точность измерения сама по себе не означает, что ученые обнаружили нарушение Стандартной модели. Речь идет прежде всего о более строгой проверке существующих теорий.

Почему для такого результата понадобилось 12 лет

Точность измерений стала возможна благодаря специализированным инструментам. Разработка спектрографов MODS заняла 12 лет — от первоначальной концепции до первых астрономических наблюдений.

Ричард Погге, профессор астрономии Университета штата Огайо, отметил, что приборы изначально создавались для исследований такого типа. Они позволяют получать детальные спектры далеких объектов и измерять фундаментальные параметры с высокой точностью.

В международную исследовательскую группу вошли специалисты из университетов США, мексиканского Национального автономного университета и канадского исследовательского центра TRIUMF.

Работа показывает, насколько важны для космологии не только новые телескопы, способные наблюдать все более далекие объекты, но и инструменты, позволяющие точнее анализировать полученный свет. Иногда прогресс заключается не в обнаружении неизвестного объекта, а в том, чтобы измерить уже известную величину настолько точно, чтобы она стала более строгой проверкой наших представлений о природе.

Теперь у ученых есть более точный ориентир для изучения первых минут существования Вселенной. Следующий шаг — использовать его вместе с другими космологическими наблюдениями, чтобы выяснить, насколько полно современные физические модели объясняют происхождение и раннюю эволюцию вещества.