Международная группа астрофизиков совершила прорыв в «космической археологии». Ученые решили выяснить, сколько гелия появилось во Вселенной сразу после Большого взрыва. Причем не на глазок, а с минимальной погрешностью. И команде это удалось!
Результат оказался в три раза точнее прежнего стандарта. Для современной физики это не просто красивое число: количество легких элементов считается одним из трех главных подтверждений модели Большого взрыва наряду с расширением Вселенной и реликтовым излучением. Исследование опубликовано в серии из пяти статей в The Astrophysical Journal.
Речь идет о гелии, втором после водорода элементе периодической системы, который сформировался в первые минуты существования нынешнего мироздания. Само событие произошло примерно 13,8 млрд лет назад, но его следы до сих пор можно искать в древнейших галактиках.
Исследователи использовали 130 часов наблюдений на Большом бинокулярном телескопе (Large Binocular Telescope, LBT). Вместо того чтобы собирать огромное количество объектов и затем экстраполировать результат, они выбрали всего 15 небольших и очень удаленных галактик. Эти системы отличаются крайне низким содержанием тяжелых элементов и считаются практически «законсервированными» со времен ранней Вселенной.
Пятнадцать космических «капсул времени»
Чтобы выжать из наблюдений максимум информации, ученые анализировали одновременно более 10 спектральных линий гелия и 15 линий водорода. Такой подход позволил учитывать небольшие систематические эффекты, которыми при менее точных измерениях можно было пренебречь. Ключевую роль сыграли спектрографы MODS, разработанные в Университете штата Огайо. Их создание заняло около 12 лет — от разработки до первого наблюдения на небе.
Полученное значение первичного содержания гелия-4 в размере 24,58% позволило ученым не только уточнить картину первых минут после Большого взрыва, но и проверить фундаментальные положения Стандартной модели физики частиц.
Расчеты показали, что 75,4% «первовещества» приходилось на водород (точнее, на протий). Ничтожную долю (не более 0,02%) составляли дейтерий, изотоп гелий-3 и, вероятно, литий-6. Ученые оставили «пространство для маневра» в размере 0,5%, но и такая точность в три раза перекрывает результат предыдущей оценки.
Есть здесь и еще один любопытный фокус. Количество древнего гелия связано с числом семейств нейтрино — почти невесомых всепроникающих элементарных частиц. Поэтому измерение далекого космического газа фактически превращается в способ проверить устройство микромира.
Новое измерение концентрации первичного гелия — еще один независимый «датчик» ранней Вселенной. Чем точнее ученые умеют считывать такие древние следы, тем жестче становится проверка наших представлений о первых минутах космоса.
Это фундаментальное число, которое непосредственно говорит об условиях существования нашей Вселенной в первые пять минут.
Результат особенно интересен на фоне других способов заглянуть в детство Вселенной. Например, на Hi-Tech Mail мы рассказывали о поиске следов первых звезд по радиосигналу нейтрального водорода с длиной волны 21 см. Такие наблюдения должны помочь восстановить картину эпохи, когда Вселенная еще только переходила от смеси водорода и гелия к миру звезд и галактик.