Новые данные о гелии помогли проверить физику первых секунд существования Вселенной
Астрономы получили более точную оценку первоначального содержания гелия во Вселенной и использовали её для проверки физических условий, существовавших в первые секунды после Большого взрыва. Новые измерения подтвердили, что количество видов нейтрино в ранней Вселенной согласуется со Стандартной моделью физики элементарных частиц.
Исследование выполнено в рамках проекта LBT Yp с использованием Большого бинокулярного телескопа Large Binocular Telescope. Учёные измеряли содержание гелия в бедных металлами туманностях — облаках газа и пыли в далёких галактиках, химический состав которых сравнительно мало изменился в результате последовательных поколений звёзд.
Такие объекты особенно важны для изучения ранней Вселенной, поскольку позволяют оценить количество гелия, образовавшегося вскоре после Большого взрыва. Команда собрала 48 высококачественных галактических образцов и проанализировала спектральные признаки гелия в оптическом и инфракрасном диапазонах.
По этим данным исследователи определяли температуру и плотность газа, необходимые для точного расчёта его химического состава. Полученный набор наблюдений позволил существенно уменьшить неопределённость при оценке первичного содержания гелия.
Ранее количество гелия удавалось определять с погрешностью примерно 2%. В новой работе неопределённость удалось снизить почти до 0,5%. По словам профессора астрономии Университета штата Огайо Ричарда Подже, такое улучшение заметно расширяет возможности проверки фундаментальных моделей ранней Вселенной.
Около 90% существующего сегодня гелия, согласно оценке авторов, сформировалось во время первичного нуклеосинтеза вскоре после Большого взрыва. Оставшаяся часть появилась позднее в результате термоядерных реакций внутри звёзд на протяжении примерно 13,5 миллиарда лет.
Количество первичного гелия зависит от условий в первые секунды существования Вселенной, в том числе от числа видов лёгких частиц, участвовавших в её ранней эволюции. Особенно важны нейтрино — чрезвычайно лёгкие и многочисленные элементарные частицы.
Проект LBT Yp создан для того, чтобы по содержанию гелия проверить, сколько типов нейтрино присутствовало в ранней Вселенной. Если бы измеренное количество гелия значительно отличалось от теоретических предсказаний, это могло бы указывать на неизвестные частицы или другую физику за пределами Стандартной модели.
Полученные результаты такого расхождения не показали. По словам исследователей, число видов нейтрино, существовавших во время Большого взрыва, оказалось совместимо с предсказаниями современной физики элементарных частиц.
Такая проверка особенно важна потому, что непосредственно наблюдать Вселенную в возрасте нескольких секунд невозможно. Электромагнитное излучение позволяет заглянуть только примерно до эпохи спустя 400 тысяч лет после Большого взрыва, когда вещество остыло настолько, что Вселенная стала прозрачной и сформировалось реликтовое излучение.
Поэтому учёные используют химический состав очень бедных тяжёлыми элементами галактик как своеобразный архив ранней космической истории. Затем эти результаты можно сопоставлять с наблюдениями реликтового излучения и проверять, насколько хорошо разные независимые методы согласуются между собой.
Одной из сложностей проекта стал поиск чрезвычайно бедных металлами галактик. К таким объектам относится карликовая галактика Leo P. Исследователям также пришлось учитывать влияние земной атмосферы на спектроскопические наблюдения, чтобы уменьшить систематические ошибки при определении содержания гелия.
Ведущий автор работы Микаэла Веллер из Университета штата Огайо отметила, что точное понимание происхождения химических элементов помогает восстановить историю эволюции Вселенной. Большинство элементов, необходимых для жизни, возникло позднее внутри звёзд, тогда как водород и значительная часть гелия появились на самых ранних этапах космической истории.
Команда намерена продолжить поиск и исследование других галактик с крайне низким содержанием тяжёлых элементов. Для этого планируется использовать как новые наблюдения, так и крупные астрономические архивы, включая данные проектов наподобие DESI.
Исследователи рассчитывают ещё сильнее сузить допустимые значения параметров ранней Вселенной и проверить, остаются ли они согласованными со Стандартной моделью при дальнейшем повышении точности измерений.
Исследование в журнале The Astrophysical Journal.