Астрономы втрое повысили точность определения количества гелия, образовавшегося в первые минуты после Большого взрыва. По новым данным, первичный гелий-4 составлял 24,58% от массы обычного вещества со сроком погрешности всего 0,5%. Результат полностью совпадает с предсказанием стандартной космологической модели.
Прямое наблюдение первых минут жизни Вселенной невозможно. Самое старое электромагнитное излучение, доступное для анализа, возникло спустя 400 тысяч лет после Большого взрыва, когда материя охладилась настолько, что световые волны смогли распространяться свободно. Учёные восстанавливают условия того раннего периода, изучая вещество, сформировавшееся тогда и сохранившее признаки первоначального химического состава.
Гелий-4 служит одним из ключевых индикаторов этого состояния. В течение первых нескольких минут температура и плотность Вселенной стремительно падали, протоны и нейтроны объединялись в ядра лёгких элементов. Этот процесс, называемый первичным нуклеосинтезом, оставил в основном водород и гелий, плюс малые количества дейтерия, гелия-3 и лития. Доля гелия напрямую зависит от скорости расширения молодой Вселенной и количества лёгких частиц в её составе.
Для определения первоначальной доли гелия исследователи наблюдали области ионизированного газа с низким содержанием тяжёлых элементов в карликовых галактиках. Чем меньше кислорода, углерода и других элементов, созданных поздними поколениями звёзд, тем ближе состав газа к веществу сразу после Большого взрыва. Из 54 исследованных областей для анализа отобрали 41, особое внимание уделив 15 объектам с наиболее простым химическим составом и чистыми спектральными сигналами.
Такая выборка позволила избежать главной ошибки предыдущих измерений. Раньше астрономы изучали галактики с разными уровнями металличности, а затем математически экстраполировали результаты до нулевого содержания тяжёлых элементов. Теперь наиболее простые объекты оказались достаточно близки к первоначальному составу, чтобы просто усреднить данные без экстраполяции.
Наблюдения потребовали около 130 часов работы Большого бинокулярного телескопа. Спектры позволили одновременно анализировать более 10 линий гелия и 15 линий водорода, уточняя температуру и плотность газа. При столь высокой точности требовалось учитывать мелкие систематические эффекты, незначительные при погрешности в несколько процентов, но критичные при точности ниже одного процента.
Полученное значение хорошо согласуется с расчётами стандартного первичного нуклеосинтеза. Модель, использующая независимые измерения плотности обычного вещества, предсказывает долю гелия около 24,67%. Существенное расхождение могло бы указать на неизвестные процессы или дополнительные частицы, менявшие скорость расширения ранней Вселенной, но наблюдатели такого противоречия не нашли.
Повышенная точность позволила проверить и количество лёгких релятивистских частиц в молодой Вселенной. Авторы совместили новые данные о гелии с измерениями первичного дейтерия и реликтового излучения. Расчёт показал эффективное число лёгких нейтринных видов 2,925, что соответствует трём известным типам нейтрино Стандартной модели.
Новые данные сужают возможные границы неизвестных лёгких частиц, которые могли существовать в первые секунды после Большого взрыва. Для гипотетических дополнительных релятивистских компонентов сверх трёх стандартных типов нейтрино исследователи установили верхний предел на уровне 0,125 с вероятностью 95%. Первые минуты Вселенной по-прежнему не обнаруживают никаких признаков физики за границами стандартной модели.
