Чтобы понять, как возникла и развивалась Вселенная, ученые исследуют не только удаленные галактики и звезды, но и химические элементы, сформировавшиеся на самых ранних этапах космической истории.
Их количество содержит информацию о температуре, плотности и физических законах, действовавших вскоре после Большого взрыва. Астрономы смогли определить содержание первичного гелия с точностью, значительно превышающей предыдущие оценки. О том, как химический состав древних галактик помогает раскрыть тайны ранней Вселенной, — в материале «Известий».
Следы первых минут Вселенной
Исследователи, включая специалистов 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 задействовали Большой бинокулярный телескоп и провели в общей сложности 130 часов наблюдений. Они исследовали 15 небольших удаленных галактик, химический состав которых сравнительно немного изменился с момента их формирования. Это позволило исследователям получить данные 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.
Почему ученые изучают гелий
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, что могло 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.
Как удалось повысить точность
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 выявить и скорректировать небольшие источники погрешности, которые было сложно учитывать в предыдущих исследованиях. При измерениях с неопределенностью менее 1% даже такие незначительные эффекты могут существенно 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 создавались именно для решения подобных задач, связанных с измерением фундаментальных характеристик Вселенной.
Что гелий рассказывает о законах физики
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 позволяют точнее проверять 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.
Фото: hi-tech.mail.ru