Вчені зазирнули в перші хвилини Всесвіту й отримали несподівано точні дані
Міжнародна команда астрономів визначила кількість гелію, утвореного в перші хвилини після Великого вибуху, з невизначеністю лише 0,5%. Це приблизно втричі точніше за попередні оцінки, пише Science Daily.
Для дослідження вчені використали 130 годин спостережень за допомогою Великого бінокулярного телескопа та проаналізували дані про 15 галактик із дуже низьким вмістом важких елементів.
Результати опублікували у п’яти наукових роботах у журналі The Astrophysical Journal. Вони допомагають точніше перевірити теорії про ранній Всесвіт і з’ясувати, чи відповідають спостереження передбаченням сучасної фізики.
Чому вчені досліджують гелій, утворений після Великого вибуху
За сучасними науковими уявленнями, Всесвіт почав розширюватися приблизно 13,8 млрд років тому з надзвичайно гарячого й щільного стану. У перші хвилини після Великого вибуху температура та густина речовини були достатніми для утворення перших легких атомних ядер, зокрема гелію.
Кількість цього первинного гелію — одна з важливих підказок про те, якими були умови в ранньому Всесвіті. Вона залежить від фізичних процесів, що відбувалися тоді, зокрема від швидкості розширення Всесвіту та властивостей елементарних частинок.
Теорію Великого вибуху підтверджують кілька незалежних типів спостережень: розширення Всесвіту, реліктове випромінювання та співвідношення легких хімічних елементів, які утворилися на ранніх етапах його існування. Точніше вимірювання первинного гелію допомагає перевіряти цю картину незалежно від інших методів.
Проблема в тому, що згодом зорі також почали виробляти гелій та інші елементи. Тому вченим потрібно відокремити сліди первинного складу Всесвіту від хімічних змін, які відбулися за мільярди років.
Як 15 галактик допомогли зазирнути в ранній Всесвіт
Підписуйтеся на наші соцмережі
Зазвичай дослідники вивчають багато галактик, визначають вміст гелію в їхньому газі, а потім на основі отриманих даних оцінюють його первинну кількість. Однак така методика передбачає додаткові розрахунки, які можуть впливати на точність результату.
Цього разу міжнародна команда зосередилася на 15 особливо малометалічних об’єктах. В астрономії металами називають усі елементи, важчі за гелій. Низький вміст таких елементів свідчить, що газ у цих об’єктах зазнав відносно незначних змін унаслідок попередніх поколінь зір.
Такі галактики та газові області в них дають змогу наблизитися до первинного хімічного складу Всесвіту. Дослідники фактично використовують їх як природні архіви, у яких збереглися ознаки ранніх космічних процесів.
Для спостережень команда витратила 130 годин на Великий бінокулярний телескоп (Large Binocular Telescope). Це інструмент, за допомогою якого астрономи отримують спектри небесних об’єктів і досліджують їхній хімічний склад.
Що саме виміряли астрономи
Команда використала спектрографи MODS, розроблені за участю фахівців Університету штату Огайо. Вони дають змогу аналізувати світло, яке випромінює газ у галактиках, і визначати присутність різних хімічних елементів.
Дослідники одночасно вивчили понад десять спектральних ліній гелію та 15 ліній водню. Такий підхід допоміг врахувати невеликі систематичні похибки, які могли залишатися непоміченими за менш точних вимірювань.
Це особливо важливо, коли йдеться про точність на рівні часток відсотка. Навіть незначні відмінності в характеристиках сигналу можуть впливати на кінцевий результат, якщо їх не врахувати.
У підсумку невизначеність вимірювання первинної кількості гелію вдалося знизити до 0,5% — приблизно утричі порівняно з попередніми оцінками.
За результатами окремої роботи з цієї серії, масова частка первинного гелію становить приблизно 24,58% із невизначеністю близько 0,13 відсоткового пункту. Це значення узгоджується з теоретичним прогнозом, отриманим на основі стандартної моделі первинного нуклеосинтезу та даних про густину баріонної речовини.
Ідеться саме про масову частку гелію серед первинної речовини, а не про частку всього гелію, який існує у Всесвіті сьогодні.
Як це допомагає перевірити Стандартну модель фізики
Результат важливий не лише для космології. Він також дає змогу перевіряти Стандартну модель фізики частинок — теоретичну систему, яка описує відомі фундаментальні частинки та їхню взаємодію.
Зокрема, кількість первинного гелію пов’язана з тим, як швидко розширювався ранній Всесвіт. На цей процес впливали й легкі елементарні частинки, зокрема нейтрино.
Використовуючи точніше вимірювання гелію разом з іншими космологічними даними, науковці можуть краще обмежувати можливу кількість типів нейтрино та перевіряти, чи відповідають спостереження передбаченням чинних фізичних теорій.
Якби виміряна кількість гелію суттєво відрізнялася від теоретичних прогнозів, це могло б стати приводом шукати невраховані фізичні процеси або нові частинки. Натомість отриманий результат узгоджується з очікуваннями стандартної моделі раннього Всесвіту.
Це не означає, що дослідження остаточно розкрило всі таємниці Великого вибуху. Його значення в іншому: що точнішими стають незалежні вимірювання, то менше простору залишається для похибок і тим суворіше можна перевіряти наукові теорії.
Що це відкриває для майбутніх досліджень
Дослідження демонструє, як точні астрономічні спостереження можуть допомагати вивчати процеси, що відбувалися майже 13,8 млрд років тому. Учені не можуть спостерігати перші хвилини Всесвіту безпосередньо, але можуть вимірювати їхні наслідки, які збереглися в хімічному складі космічної речовини.
Точніші дані про первинний гелій можуть стати основою для подальших перевірок теорії Великого вибуху та пошуку можливих відхилень від відомих законів фізики. Зокрема, вони допомагають досліджувати, чи існують процеси або частинки, які сучасні теорії ще не враховують.
Над роботами працювала міжнародна команда за участю науковців Університету Міннесоти, Університету штату Огайо, Північно-Західного університету, Техаського університету в Остіні, Університету Каліфорнії в Санта-Крузі та інших установ.
Отже, головний результат дослідження — не нове зображення далекої галактики, а точніше вимірювання однієї з фундаментальних величин, що описують ранній Всесвіт. Саме такі вимірювання дають змогу перевіряти, наскільки добре сучасна фізика пояснює походження та еволюцію космосу.