Международная группа астрономов сумела с рекордной точностью определить содержание гелия, возникшего в первые минуты существования Вселенной. Благодаря наблюдениям за древними галактиками исследователи получили новые сведения о физических условиях, существовавших вскоре после Большого взрыва. Погрешность измерений удалось сократить до 0,5%, что примерно втрое лучше предыдущих результатов. Об открытии сообщает University of Minnesota.
В исследовании участвовали специалисты из нескольких стран, включая сотрудников Университета Миннесоты. Результаты масштабной научной работы представлены в пяти статьях, опубликованных в журнале «Астрофизический журнал».
Для получения необходимых данных ученые задействовали Большой бинокулярный телескоп. Общая продолжительность наблюдений достигла 130 часов. За это время исследовательская группа изучила 15 небольших галактик, находящихся на значительном расстоянии от Земли.
Выбор объектов был неслучайным. Их особенностью стало относительно небольшое изменение первоначального химического состава за время существования. Благодаря этому вещество подобных галактик сохранило информацию о процессах, происходивших на ранних этапах развития космоса.
Особое внимание астрономы уделили гелию, который образовался в течение первых пяти минут после Большого взрыва. Количество этого химического элемента зависит от температуры, плотности и других физических характеристик молодой Вселенной.
Согласно общепринятой космологической модели, около 13,8 миллиарда лет назад Вселенная находилась в чрезвычайно горячем и плотном состоянии, после чего началось ее расширение. В первые минуты происходили ядерные реакции, в результате которых сформировались легкие элементы, включая гелий и дейтерий.
Их первоначальное содержание позволяет проверять научные представления о происхождении и дальнейшем развитии Вселенной. Наряду с расширением космического пространства и существованием реликтового излучения химический состав раннего вещества считается одним из важнейших свидетельств Большого взрыва.
Ранее для определения количества первичного гелия исследователям приходилось анализировать большое число галактик и математически восстанавливать их первоначальный состав. Подобные расчеты сопровождались дополнительными погрешностями, поскольку последующие поколения звезд постепенно изменяли соотношение химических элементов.
В новой работе специалисты использовали другой подход, сосредоточившись на галактиках, сохранивших наиболее близкий к первоначальному состав вещества. Это позволило уменьшить неопределенность результатов и получить более точные оценки.
Заслуженный профессор физики и астрономии Университета Миннесоты Эван Скиллман назвал проведенную работу одним из наиболее значимых достижений своей сорокалетней научной карьеры.
По словам ученого, полученный показатель имеет фундаментальное значение, поскольку непосредственно характеризует условия, существовавшие в первые пять минут космической истории.
Для выполнения измерений астрономы применили специальные спектрографы, созданные при участии Университета штата Огайо. Эти приборы позволяют изучать излучение небесных объектов и определять содержание химических элементов по характерным особенностям их спектров.
Исследователи одновременно проанализировали свыше десяти спектральных линий гелия и пятнадцать линий водорода. Сопоставление полученных данных помогло обнаружить небольшие источники ошибок и внести необходимые поправки в расчеты.
При столь высокой точности даже незначительные отклонения способны существенно повлиять на окончательные результаты. Поэтому устранение дополнительных погрешностей стало одной из важнейших задач научной группы.
Заслуженный профессор астрономии Университета штата Огайо Ричард Погге рассказал, что разработка использованных спектрографов заняла двенадцать лет. За это время специалисты прошли путь от первоначального замысла до проведения первых наблюдений.
Полученные результаты имеют значение не только для изучения химического состава древней Вселенной. Они также позволяют уточнить представления о фундаментальных частицах и законах физики.
В частности, содержание первичного гелия зависит от количества типов элементарных частиц, существовавших в первые минуты после Большого взрыва. На основании новых измерений ученые смогли уточнить оценку числа семейств нейтрино в ранней Вселенной.
Нейтрино представляют собой чрезвычайно легкие частицы, которые очень слабо взаимодействуют с окружающим веществом. Несмотря на эту особенность, они играют важную роль в физических процессах и космологических расчетах.
Уточненные сведения о гелии позволяют исследователям строже проверять Стандартную модель физики элементарных частиц. Она описывает известные фундаментальные частицы и их взаимодействия.
Сопоставляя теоретические расчеты с результатами астрономических наблюдений, ученые могут оценивать, насколько точно существующие модели воспроизводят условия молодой Вселенной.
При этом новое исследование не ставит под сомнение теорию Большого взрыва. Его главная ценность заключается в повышении точности одного из фундаментальных параметров, необходимых для проверки представлений о происхождении космоса.
Дальнейший анализ полученных данных поможет специалистам искать возможные расхождения между научными моделями и наблюдениями, а также глубже изучать процессы, происходившие в первые минуты существования Вселенной.