Первые пять минут Вселенной под новым углом: учёные измерили первичный гелий с точностью 0,5%
Международная команда учёных, включая исследователей из Университета Миннесоты и Университета штата Огайо, достигла принципиального рубежа в «точностной космологии»: точности измерения количества гелия, образовавшегося в первые пять минут существования Вселенной. Неопределённость этой фундаментальной космической величины удалось сократить до 0,5% — втрое лучше, чем все предыдущие результаты. Пять статей опубликованы в The Astrophysical Journal.
Для этого команда потратила 130 часов наблюдений на Large Binocular Telescope (LBT) в Аризоне.
Почему гелий хранит ключ к рождению Вселенной
Теория Большого взрыва покоится на трёх главных «столпах»: расширении пространства, существовании реликтового микроволнового излучения и большом количестве первичных лёгких элементов — в первую очередь гелия и дейтерия. Именно гелий стал первым сложным ядром, возникшим в первые минуты: во время Большого взрыва температура была невообразимо высокой, и протоны объединялись с нейтронами, образуя ядра гелия-4. Этот процесс — Big Bang Nucleosynthesis, BBN — закончился примерно через 20 минут после начала, когда Вселенная достаточно остыла.
Точное измерение первичной доли гелия (обозначается Yp) проверяет, насколько верно наши теоретические расчёты описывают условия тех первых минут. Несоответствие между теорией и наблюдением стало бы прямым указанием на «новую физику» — например, на неучтённые типы нейтрино или другие экзотические частицы.
Новый метод: не экстраполяция, а прямое измерение
Прежде учёные оценивали первичную долю гелия, наблюдая множество галактик с разным химическим составом и математически «экстраполируя» результат к предполагаемому исходному состоянию — до обогащения тяжёлыми элементами. Такой подход по самой своей природе вносил систематические неопределённости: результат зависел от корректности принятых моделей.
Команда избрала другой путь. Вместо широкой статистической выборки они сосредоточились на 15 особенных галактиках — «химических капсулах времени». Это маленькие, отдалённые карликовые галактики, практически лишённые тяжёлых элементов. Их состав практически не изменился с момента образования — значит, он отражает условия ранней Вселенной напрямую.
Ключевой инструмент — спектрографы MODS Университета Огайо. «Спектрографы MODS строились 12 лет — от концепции до первого света на небе. Именно для таких проектов они создавались, и видеть, как они справляются с задачей, невероятно приятно», — сказал Ричард Погге, заслуженный профессор астрономии Университета Огайо.
Одновременно анализировались более 10 спектральных линий гелия и 15 линий водорода в каждой галактике. Это позволило компенсировать малые систематические искажения, которые прежде либо игнорировались, либо не поддавались корректировке.
Что дала точность в 0,5%
«Это физический эксперимент в грандиозном масштабе и одна из крупнейших находок за мою 40-летнюю карьеру», — признал Эван Скиллман, профессор Университета Миннесоты.
Высокоточное значение Yp открывает сразу несколько научных возможностей:
- точный подсчёт числа видов нейтрино, существовавших в горячем «первичном бульоне» — исчезающе лёгких частиц, которые могут влиять на выход гелия при BBN;
- проверка Стандартной модели физики частиц через прямое сравнение её предсказаний с наблюдениями;
- поиск отклонений, которые могли бы указывать на существование новых частиц или сил природы.
Читайте также: MeerKAT уловил водородный сигнал из далёкой Вселенной.
В истории физики именно такие проверки Стандартной модели неоднократно предшествовали технологическим прорывам: от открытия кварков до бозона Хиггса. Теперь у учёных есть самый точный из когда-либо измеренных ключей к первым минутам Вселенной.
