Гелий помог ученым заглянуть в первые секунды существования Вселенной
Новые наблюдения за составом далеких галактик позволили ученым заглянуть в самые ранние фазы существования Вселенной. Международная группа исследователей под руководством астрономов из Университета штата Огайо (США) подтвердила классические научные представления об элементах и частицах, рожденных в ходе Большого взрыва. Работа, опубликованная в серии статей в авторитетном издании Astrophysical Journal, закладывает прочный фундамент под понимание эволюции космоса.
Для исследования астрономы использовали данные Большого бинокулярного телескопа (LBT). С его помощью они измерили содержание гелия в бедных металлами туманностях — далеких облаках газа и пыли, где рождаются звезды. Анализируя сигналы гелия в оптическом и инфракрасном диапазонах, ученые определили температуру и плотность газов в 48 разных облаков газа и пыли (туманностей), расположенных в далеких карликовых галактиках. Полученный набор данных позволил с беспрецедентной точностью рассчитать, сколько именно этого элемента было на заре существования мира.
«Все, что необходимо нам для жизни на Земле, когда-то синтезировалось внутри звезд, — объясняет ведущий автор исследования Микаэла Веллер. — Понимание того, откуда именно взялись эти элементы, помогает нам понять, как развивалась наша Вселенная и что ждет ее в будущем».
Загадка нейтрино и прыжок в вычислительной астрофизике
Работа была выполнена в рамках масштабного проекта LBT Yp. Его цель — выяснить точное количество первичного гелия, возникшего в первые мгновения после Большого взрыва. Согласно космологическим теориям, его объем напрямую зависит от количества типов нейтрино — крошечных и распространенных субатомных частиц, сформировавшихся, когда Вселенной исполнилась всего одна секунда.
Около 90% всего космического гелия возникло в ходе Большого взрыва, и лишь 10% сформировалось в недрах звезд за последующие 13,5 миллиардов лет. Ранее астрофизики могли оценивать содержание гелия во Вселенной с погрешностью около 2%. Новое исследование совершило огромный прыжок в вычислительной астрофизике, снизив эту погрешность до рекордных 0,5%.
По словам профессора астрономии Ричарда Погге, получение атомных данных такой точности позволяет накладывать жесткие и осмысленные ограничения на саму природу фундаментальной физики.
Галактическая археология подтверждает Стандартную модель
Заглянуть в далекое прошлое невероятно сложно. Напрямую с помощью телескопов астрономы могут увидеть Вселенную лишь спустя 400 000 лет после Большого взрыва, когда она стала достаточно прозрачной. Чтобы обойти это ограничение, ученые применили методы «галактической археологии». Они сравнили новые данные о далеких, редких и бедных металлами галактиках (таких как, например, карликовая Leo P) с архивными наблюдениями реликтового излучения (самый древний свет во Вселенной, который остался со времен Большого взрыва: «эхо», тепловое излучение, которое зародилось, когда нашей Вселенной было всего около 380 000 — 400 000 лет).
Если бы результаты измерений разошлись с теоретическими моделями, ученым пришлось бы пересматривать условия ранней Вселенной и открывать «новую физику».
- Доля первичного гелия по массе составила 0,2458 ± 0,0013, то есть приблизительно 24,6% первоначального вещества Вселенной приходилось на гелий-4.
- Полученное значение практически совпало с предсказанием стандартной теории первичного нуклеосинтеза: 0,2467 ± 0,0002.
Стандартная теория первичного нуклеосинтеза объясняет, как в первые минуты после Большого взрыва появились первые химические элементы. Когда Вселенная немного остыла, протоны и нейтроны начали соединяться. В результате образовались: водород; гелий; небольшое количество дейтерия и лития.
По расчетам этой теории, около 24,7% массы обычного вещества должно было превратиться в гелий-4. Авторы статьи получили почти такое же значение — 24,58%.
Исследование подтвердило: количество разновидностей нейтрино, присутствовавших при Большом взрыве, полностью соответствует Стандартной модели физики элементарных частиц. Все фундаментальные кирпичики мироздания появились одновременно в первые секунды его существования.
