Астрономы оценили количество гелия из первых минут после Большого взрыва

Чтобы лучше понять происхождение и эволюцию Вселенной, ученые исследуют не только удаленные звезды и галактики, но и химические элементы, возникшие на самых ранних этапах космической истории. Эти элементы содержат информацию о температуре, плотности и физических законах, действовавших вскоре после Большого взрыва. Астрономы смогли измерить содержание первичного гелия с высокой точностью, значительно превышающей предыдущие оценки. Пишет Известия.

Исследователи, включая специалистов Университета Миннесоты, проанализировали количество гелия, образовавшегося в первые пять минут после Большого взрыва. Результаты представлены в пяти статьях в журнале The Astrophysical Journal (AJ).

В ходе работы ученые использовали Большой бинокулярный телескоп и провели 130 часов наблюдений. Они исследовали 15 удаленных галактик, химический состав которых с момента формирования изменился незначительно. Это позволило получить данные о веществе, сохранившем признаки ранней Вселенной.

В результате неопределенность измерения содержания первичного гелия удалось снизить до 0,5%, что примерно втрое точнее предыдущих оценок. Такая высокая точность позволяет ученым проверять существующие теории о первых этапах космической истории и условиях, способствовавших образованию легких элементов.

Эван Скиллман, заслуженный профессор Школы физики и астрономии Университета Миннесоты, отметил, что это значительное открытие за его 40-летнюю карьеру. Он подчеркнул, что это фундаментальное число, которое дает представление об условиях Вселенной в первые пять минут ее существования.

Согласно теории Большого взрыва, Вселенная начала расширяться из горячего и плотного состояния около 13,8 миллиарда лет назад. В первые минуты после начала расширения сформировались легкие химические элементы, такие как гелий и дейтерий. Их первоначальное количество зависело от физических условий, существовавших в тот период.

Количество первичного гелия является важным способом проверки теории Большого взрыва. Другими свидетельствами служат продолжающееся расширение Вселенной и реликтовое излучение, сохранившееся до наших дней.

Ранее астрономы оценивали первоначальное содержание гелия, наблюдая множество галактик и рассчитывая, каким был химический состав вещества до изменений, вызванных последующими поколениями звезд. Однако такой подход требовал экстраполяции, что могло вносить дополнительную неопределенность.

В новой работе исследователи сосредоточились на 15 галактиках, которые изменились минимально. Их вещество прошло небольшую химическую эволюцию, что делает их своеобразными космическими капсулами времени. Изучение этих галактик позволяет точнее оценить количество гелия в ранней Вселенной.

Для анализа астрономы использовали спектрографы MODS, разработанные с участием Университета штата Огайо. Эти приборы позволяют исследовать спектр излучения и определять, какие химические элементы присутствуют в наблюдаемых объектах.

Команда одновременно изучила более 10 спектральных линий гелия и 15 линий водорода. Сопоставление сигналов помогло обнаружить и скорректировать небольшие источники погрешности, которые было трудно учитывать в предыдущих исследованиях. При измерениях с неопределенностью менее 1% даже незначительные эффекты могут существенно повлиять на итоговый результат.

Разработка спектрографов заняла 12 лет — от первоначальной идеи до первых наблюдений неба. По словам профессора астрономии Университета штата Огайо Ричарда Погге, приборы создавались именно для решения задач, связанных с измерением фундаментальных характеристик Вселенной.

Новые измерения важны не только для уточнения химического состава ранней Вселенной. Количество гелия, образовавшегося после Большого взрыва, зависит от условий, в которых происходили первые ядерные реакции, включая количество типов элементарных частиц, существовавших в тот период. Используя уточненные данные о гелии, исследователи смогли рассчитать количество семейств нейтрино в ранней Вселенной.

Полученные результаты позволяют точнее проверить Стандартную модель физики элементарных частиц, описывающую известные фундаментальные частицы и их взаимодействия. Сопоставление расчетов с астрономическими наблюдениями помогает ученым выяснить, насколько хорошо эта модель описывает условия, существовавшие в первые минуты после Большого взрыва.

Работа не опровергает теорию Большого взрыва, а уточняет один из важных параметров, используемых для ее проверки. Чем точнее исследователи измеряют количество первичного гелия, тем строже они могут проверять физические модели ранней Вселенной и искать возможные расхождения между расчетами и наблюдениями.