Астрономы оценили количество гелия из первых минут после Большого взрыва

Для понимания возникновения и эволюции Вселенной ученые исследуют не только удаленные галактики и звезды, но и химические элементы, образовавшиеся на 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. Об этом сообщает «Известия». Данную информацию сообщает портал Известия.

Исследователи, включая специалистов Университета Миннесоты, определили 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 изучили 15 удаленных галактик, химический состав которых почти не изменился с момента их формирования. Это позволило получить данные о веществе, сохранившем черты ранней Вселенной.

В результате удалось снизить неопределенность измерения содержания первичного гелия до 0,5%, что примерно в три раза точнее предыдущих оценок. Эта 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 масштабный физический эксперимент и одно из значительных открытий 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 образовались легкие химические элементы, включая гелий и дейтерий. Их начальное количество зависело от физических условий в тот период.

Количество первичного гелия — важный способ проверки теории Большого взрыва. Другими доказательствами 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 изменения его последующими поколениями звезд. Однако такой подход требовал экстраполяции, что могло вносить дополнительную неопределенность.

В новой работе исследователи сосредоточились на 15 галактиках с минимальными изменениями. Поскольку их вещество прошло незначительную химическую эволюцию, они представляют собой космические капсулы времени. Их изучение 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 небольшие эффекты могут существенно повлиять на итоговый результат.

Разработка спектрографов заняла 12 лет — от первоначальной идеи до первых наблюдений. По словам заслуженного профессора астрономии Университета штата Огайо Ричарда Погге, приборы создавались 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 — 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.