Исследование с помощью телескопа уточнило оценку количества гелия, образовавшегося после Большого взрыва

Астрономы получили на сегодняшний день наиболее точную оценку количества гелия, образовавшегося в первые минуты существования Вселенной, используя наблюдения 15 небольших галактик, химический состав которых с течением времени почти не изменился. Согласно материалу SciTechDaily, это позволило снизить неопределённость измерения до 0,5% — примерно до трети от прежнего уровня.

Выводы международной команды основаны на 130 часах наблюдений с помощью Большого бинокулярного телескопа. Учёные использовали эти данные для изучения гелия и водорода в галактиках, которые сохраняют относительно прямую информацию об условиях в молодой Вселенной. Среди участников исследования были сотрудники Миннесотского университета в городах-побратимах.

Результаты опубликованы в пяти статьях в The Astrophysical Journal. Они дают физикам более строгую проверку теорий о происхождении Вселенной, а также о частицах и силах, описываемых Стандартной моделью.

В поисках ранней летописи Вселенной

Гелий — второй по лёгкости химический элемент и один из основных продуктов, которые, как ожидается, возникли на самых ранних этапах существования Вселенной. Его количество сегодня хранит информацию о периоде, когда космосу было всего несколько минут, вскоре после начала его расширения из чрезвычайно горячего и плотного состояния.

Много лет астрономы косвенно оценивали первоначальное содержание гелия. Они наблюдали большое количество галактик, сравнивали содержание в них гелия с другими показателями химических изменений и экстраполировали закономерность к точке, где тяжёлых элементов почти не было. Этот процесс, известный как экстраполяция, зависит от того, насколько надёжно можно продолжить выявленную тенденцию за пределами наблюдений.

Вместо этого новое исследование сосредоточилось на некоторых из наименее химически эволюционировавших известных галактик. Поскольку за время своего существования эти системы накопили меньше элементов, их газ ближе к составу, оставшемуся от ранней Вселенной. Это позволило исследователям меньше полагаться на расчётную исходную точку и больше — на измерения объектов, сохраняющих сравнительно примитивную химическую характеристику.

Этот подход не устраняет необходимости в тщательном анализе. При точности, которой стремилась достичь команда, важными становятся даже небольшие факторы, систематически смещающие результат относительно истинного значения. В более ранних исследованиях считалось, что некоторые из таких эффектов слишком малы, чтобы повлиять на общий вывод. После того как целевая неопределённость опустилась ниже 1%, команде пришлось учитывать их в явном виде.

Анализ света галактик

Для наблюдений использовались спектрографы, разработанные в Университете штата Огайо. Эти приборы разлагали свет каждой галактики по длинам волн, выявляя спектральные линии, связанные с определёнными элементами. Линии дают информацию, необходимую для определения относительных количеств гелия и водорода в наблюдаемом газе.

Вместо того чтобы опираться на одну характеристику, исследователи одновременно изучили более 10 линий гелия и 15 линий водорода. Сопоставление линий помогло им выявить и скорректировать систематические эффекты, которые в противном случае могли исказить оценку содержания элементов.

Ричард Погге, профессор астрономии Университета штата Огайо, сообщил, что на разработку спектрографов MODS ушло 12 лет, прежде чем они были установлены на телескопе. По его словам, успешное использование приборов в этом проекте продемонстрировало смысл создания инструментов, способных проводить фундаментальные измерения.

Эван Скилман, профессор физики и астрономии Миннесотского университета, сказал, что команда поставила перед собой цель достичь неопределённости в полпроцента и добилась её. Этот результат означает существенное повышение точности, а не просто добавление ещё одной оценки к уже существующему диапазону.

Проверка космической истории и физики частиц

Содержание лёгких элементов — один из трёх основных типов свидетельств в пользу картины космической истории, описываемой теорией Большого взрыва. Два других свидетельства, выделенных в отчёте, — продолжающееся расширение Вселенной и реликтовое микроволновое излучение, остаточное излучение раннего периода её существования. Гелий изучался менее подробно, чем эти два других сигнала, поэтому более точное измерение его содержания особенно полезно.

Гелий также можно сравнить с предсказаниями Стандартной модели — теоретической основы, которую физики используют для описания элементарных частиц и их взаимодействий. Несоответствие между измеренным содержанием и ожидаемым значением может указывать на недостающие компоненты этой основы, тогда как совпадение позволит жёстче ограничить возможные альтернативы.

Команда использовала полученный результат по гелию, чтобы рассчитать, сколько семейств нейтрино существовало в ранней Вселенной. Нейтрино — чрезвычайно лёгкие субатомные частицы, и их количество на раннем этапе влияет на условия, в которых формировались первые лёгкие элементы. Этот расчёт связывает наблюдения близлежащих галактик с составом частиц космоса в период, когда ему было всего несколько минут.

Статья с описанием методологии проекта была опубликована 9 сентября 2026 года. Среди её авторов — учёные из Миннесотского университета, Университета штата Огайо и других учреждений. Объединив необычно примитивные галактики, продолжительные наблюдения с помощью телескопа и детальный анализ множества спектральных линий, исследование превращает измерение содержания одного элемента в более точный инструмент изучения как происхождения Вселенной, так и физики, которая ею управляет.