Чтобы понять, как возникла и развивалась Вселенная, ученые изучают не только далекие галактики и звезды, но и химические элементы, образовавшиеся на самых ранних этапах космической истории. Их количество хранит сведения о температуре, плотности и физических законах, действовавших вскоре после Большого взрыва. Астрономы смогли измерить содержание первичного гелия с точностью, значительно превосходящей прежние оценки. О том, как химический состав древних галактик помогает раскрыть тайны ранней Вселенной, — в материале «Известий».

Исследователи, в том числе специалисты Университета Миннесоты, измерили количество гелия, образовавшегося в первые пять минут после Большого взрыва. Результаты представлены в пяти публикациях в журнале The Astrophysical Journal (AJ).

Для работы ученые использовали Большой бинокулярный телескоп и провели в общей сложности 130 часов наблюдений. Они изучили 15 небольших удаленных галактик, химический состав которых сравнительно мало изменился с момента формирования. Это позволило исследователям получить сведения о веществе, сохранившем особенности ранней Вселенной.

В результате неопределенность измерения содержания первичного гелия удалось снизить до 0,5%. Это примерно втрое точнее предыдущих оценок. Такая точность дает ученым возможность проверять существующие представления о первых этапах космической истории и о физических условиях, которые определяли образование легких элементов.

Эван Скиллман, заслуженный профессор Школы физики и астрономии Университета Миннесоты

Это масштабный физический эксперимент и одно из самых значительных открытий за всю мою 40-летнюю карьеру. Это фундаментальное число, которое конкретно говорит нам об условиях нашей Вселенной в первые пять минут ее существования.

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

Количество первичного гелия — один из важных способов проверить теорию Большого взрыва. Другими свидетельствами служат продолжающееся расширение Вселенной и реликтовое излучение — сохранившееся до наших дней излучение ранней Вселенной.

Ранее астрономы часто оценивали первоначальное содержание гелия, наблюдая множество галактик и рассчитывая, каким был химический состав вещества до того, как последующие поколения звезд изменили его. Однако такой подход требовал экстраполяции, а она могла вносить дополнительную неопределенность.

В новой работе исследователи сосредоточились на 15 особенно малоизмененных галактиках. Поскольку их вещество прошло сравнительно небольшую химическую эволюцию, они выступают своеобразными космическими капсулами времени. Их изучение позволяет точнее оценить, сколько гелия существовало в ранней Вселенной.

Для анализа астрономы использовали спектрографы MODS, разработанные при участии 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 такие незначительные эффекты могут заметно повлиять на итоговый результат.

Разработка спектрографов заняла 12 лет — от первоначальной идеи до первых наблюдений неба. По словам заслуженного профессора астрономии Университета штата Огайо Ричарда Погге, приборы создавали именно для решения подобных 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, в том числе от числа типов элементарных частиц, существовавших в тот период. Используя уточненные данные о гелии, исследователи смогли рассчитать количество семейств нейтрино в ранней Вселенной.

Нейтрино — чрезвычайно легкие субатомные частицы, которые слабо взаимодействуют с веществом, но играют важную роль в современных представлениях о фундаментальной физике.

Полученные результаты дают возможность точнее проверить Стандартную модель физики элементарных частиц — теорию, 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.