望远镜研究进一步精确估算大爆炸后形成的氦

天文学家利用对15个小型星系的观测，首次以最高精度估算了宇宙最初几分钟内形成的氦。这些星系的化学成分随时间变化不大。据SciTechDaily报道，这一结果将该测量的不确定性降至0.5%，约为此前水平的三分之一。

这支国际团队的研究结果基于利用大型双筒望远镜开展的130小时观测。科学家利用这些数据研究了星系中的氦和氢，这些星系相对直接地保留了年轻宇宙的状态记录。明尼苏达大学双城分校的研究人员也参与了这项工作。

这项研究成果发表于《天体物理学杂志》的五篇论文中。它为物理学家检验有关宇宙起源以及标准模型所描述的粒子和作用力的理论，提供了更严格的考验。

寻找早期宇宙的记录

氦是第二轻的化学元素，也是宇宙早期阶段预期形成的主要产物之一。如今存在的氦含量，包含着宇宙仅有几分钟大时的信息；那时，宇宙刚刚从一个极端炽热、致密的状态开始膨胀。

多年来，天文学家一直在间接估算原始氦含量。他们观测大量星系，将其中的氦含量与其他化学变化指标进行比较，再把这一趋势向重元素含量很低的状态回推。这一过程称为外推，其结果取决于能否可靠地将这一趋势延伸到观测范围之外。

新的研究转而聚焦于一些已知化学演化程度最低的星系。由于这些系统在其演化历程中积累的元素较少，其中的气体更接近早期宇宙留下的成分。这使研究人员不必过度依赖计算得出的起点，而能更多依据那些保留着相对原始化学特征天体的测量结果。

这种方法并不能免除细致分析的需要。在团队追求的精度下，即使是那些会系统性地使结果偏离真实值的微小影响，也会变得重要。早期研究认为其中几种影响过于微小，不会影响总体结论。当目标不确定性降至1%以下后，团队不得不对这些影响进行明确建模。

解读星系的光

观测使用了由俄亥俄州立大学研发的光谱仪。这些仪器将每个星系的光分解为不同波长，显现出与特定元素相关的谱线。这些谱线提供了确定观测气体中氦和氢相对含量所需的信息。

研究人员没有依赖单一特征，而是同时考察了10多条氦谱线和15条氢谱线。将这些谱线结合起来进行比较，有助于他们识别并修正可能扭曲丰度估算的系统性影响。

俄亥俄州立大学天文学教授理查德·波格说，MODS光谱仪历经12年研发，才最终安装到望远镜上。他表示，这些仪器在本项目中的成功使用，证明了建造能够开展基础测量的仪器的意义。

明尼苏达大学物理学和天文学教授埃文·斯基尔曼说，团队设定了将不确定性控制在0.5%的目标，并实现了这一目标。这一结果代表着精度的大幅提升，而不仅仅是在已有范围内增加了一个估算值。

对宇宙历史和粒子物理学的检验

轻元素丰度是支持宇宙历史大爆炸理论的三大类证据之一。报告强调的另外两类证据是宇宙持续膨胀，以及宇宙微波背景——宇宙早期遗留下来的辐射。与另外两种信号相比，氦受到的研究较少，因此，更精确的丰度测量尤其有用。

氦还可以与标准模型的预测进行比较。标准模型是物理学家用来描述基本粒子及其相互作用的理论框架。如果测得的丰度与预期值不一致，可能意味着该框架中存在尚未纳入的成分；而如果两者一致，则会对可能的替代理论施加更严格的限制。

团队利用氦的测量结果，计算了早期宇宙中存在多少个中微子族。中微子是质量极小的亚原子粒子，其早期数量会影响最初轻元素形成时的条件。这一计算将对附近星系的观测，与宇宙仅有几分钟大时的粒子组成联系起来。

该项目的方法学论文于2026年9月9日发表。作者包括来自明尼苏达大学、俄亥俄州立大学及其他机构的科学家。通过结合化学成分异常原始的星系、长时间的望远镜观测，以及对多条谱线的细致处理，这项研究将对一种元素的测量，转化为对宇宙起源及支配宇宙的物理学更敏锐的探测工具。