Астрономы измерили первичное содержание гелия во Вселенной с рекордной точностью

Международная команда астрономов под руководством Эвана Д. Скиллмана из Миннесотского института астрофизики завершила масштабный проект LBT Yp Project, в рамках которого с помощью крупнейшего оптического телескопа LBT (Большой бинокулярный телескоп) получены и проанализированы спектры десятков бедных металлами галактик. Исследователи определили первичное содержание гелия во Вселенной с рекордной точностью 0,5 процента, что позволило независимо измерить эффективное число сортов нейтрино и подтвердить согласие с предсказаниями стандартной модели физики элементарных частиц. Все шесть статей проекта опубликованы в Astrophysical Journal.

Спустя мгновения после Большого взрыва Вселенная представляла собой раскаленный плотный сгусток элементарных частиц. Пока температура оставалась достаточно высокой, протоны и нейтроны непрерывно превращались друг в друга, но как только Вселенная остыла примерно до миллиарда градусов, нейтроны начали соединяться с протонами, образуя ядра гелия. Этот процесс, названный первичным нуклеосинтезом, длился всего несколько минут и оставил после себя примерно четверть всего вещества в виде гелия. Именно это предсказание теории блестяще подтвердилось наблюдениями, и во многом благодаря ему модель горячего Большого взрыва победила в споре с конкурирующими космологическими теориями.

Однако современная космология требует не просто качественного согласия, а высокой точности. Дело в том, что количество образовавшегося гелия напрямую зависит от того, сколько сортов легких частиц — нейтрино и им подобных, существовало в ранней Вселенной. Чем больше таких частиц, тем быстрее расширялась Вселенная, тем меньше времени оставалось нейтронам на превращение в протоны и тем больше гелия в итоге получалось. Таким образом, точное измерение первичного содержания гелия позволяет буквально пересчитать число семейств нейтрино и проверить, нет ли в природе каких-то неизвестных легких частиц, не входящих в стандартную модель.

Именно эту задачу и поставила перед собой команда исследователей. Раньше астрономы измеряли содержание гелия в отдельных туманностях возле молодых горячих звезд в бедных металлами галактиках, а затем строили график зависимости доли гелия от содержания кислорода и мысленно продолжали линию назад, к нулевому содержанию кислорода. Полученная точка на оси и давала искомое первичное значение. Проблема в том, что такой подход опирается на предположение о строго линейной связи между гелием и кислородом, а это не обязательно так, ведь эти элементы рождаются в разных типах звезд и в разные эпохи. Кроме того, старые наблюдения часто не позволяли надежно определить сразу несколько важных параметров газа, из-за чего разные группы ученых получали плохо согласующиеся между собой результаты.

Новый проект подошел к решению этой проблемы принципиально иначе. Во-первых, авторы отобрали для наблюдений исключительно самые бедные металлами галактики, то есть объекты, в которых кислорода и других тяжелых элементов совсем мало. Это позволяет свести зависимость от экстраполяции к минимуму. Во-вторых, все наблюдения проводились однородно, на одном и том же телескопе, с одинаковой методикой и одинаковыми приборами, что исключает множество систематических ошибок, неизбежных при объединении данных с разных инструментов. В-третьих, использовался очень широкий спектральный диапазон — от ультрафиолета до ближнего инфракрасного излучения, что дает возможность одновременно измерять множество линий водорода и гелия и надежно определять температуру, плотность и степень покраснения света в каждой туманности.

Особую роль сыграла инфракрасная линия гелия с длиной волны около 10830 ангстрем. Эта линия чувствительна к плотности газа и позволяет устранить давнюю проблему: температуру и плотность туманности невозможно было определить независимо друг от друга, они как бы подстраивались друг под друга, порождая неоднозначные решения. С добавлением инфракрасной линии эта неоднозначность снимается, и определение содержания гелия становится гораздо более устойчивым.

Отдельное внимание уделено теоретической базе. В работе использованы самые свежие расчеты излучательной способности водорода и гелия, а также новые поправки на перенос излучения в линиях гелия, которые учитывают, что часть фотонов может поглощаться и переизлучаться внутри туманности. Кроме того, авторы применили современные модели звездного населения для оценки того, сколько света поглощается в атмосферах звезд под линиями водорода и гелия, что тоже влияет на итоговый результат.

Всего в рамках проекта получены оптические спектры 62 галактик с содержанием кислорода не более 20 процентов от солнечного. Новые методы обработки спектров позволили извлечь до 61 линии водорода и гелия в каждой галактике, из которых до 26 использовались для измерения содержания гелия. Дополнительно получены инфракрасные спектры 48 галактик, что дало возможность измерить плотность газа по линии гелия. Общее время наблюдений на телескопе превысило 140 часов. Все данные опубликованы и доступны научному сообществу, что позволяет независимо перепроверить выводы.

Работа представляет собой серию из пяти статей. Первая описывает сам проект, отбор целей и методику наблюдений. Вторая посвящена оптическим спектрам, физическим условиям газа и измерению содержания кислорода. Третья представляет инфракрасные спектры и измерение плотности. Четвертая содержит итоговое значение первичного содержания гелия, а пятая анализирует космологические последствия.

Главный итог проекта состоит в том, что первичное содержание гелия во Вселенной измерено с рекордной точностью 0,5 процента. Итоговое значение массовой доли гелия составляет 0,2458 плюс-минус 0,0013, что превосходно согласуется с теоретическим предсказанием стандартного первичного нуклеосинтеза, основанным на данных космической обсерватории Планк. Это улучшение точности примерно в три раза по сравнению с предыдущими определениями.

Объединив новое значение содержания гелия с измерениями первичного дейтерия и данными о реликтовом излучении, авторы получили эффективное число сортов нейтрино, равное 2,925 плюс-минус 0,082, что с точностью до долей процента совпадает со стандартным значением три. Иными словами, никаких следов неизвестных легких частиц, которые могли бы повлиять на расширение Вселенной в первые минуты ее существования, не обнаружено. Результаты демонстрируют полное согласие между физикой элементарных частиц, теорией Большого взрыва и наблюдениями реликтового излучения, охватывающими эпохи от первой секунды до четырехсот тысяч лет после Большого взрыва.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях