Первичный гелий измерили с рекордной точностью

Астрономы получили самую точную на сегодня оценку доли первичного гелия-4: 0,2458 ± 0,0013 по массе. Неопределённость снизилась до 0,5% — примерно втрое по сравнению с прежним стандартом наблюдений.


Работа стала итогом проекта LBT Yp, для которого международная команда использовала Large Binocular Telescope в Аризоне. За 130 часов наблюдений исследователи получили спектры 54 областей H II — облаков ионизованного газа в галактиках с очень низким содержанием тяжёлых элементов. После статистического и качественного отбора основной результат рассчитали по 15 объектам с особенно низкой металличностью и высоким отношением сигнал/шум.

Смысл такого отбора прост: звёзды постепенно обогащают галактики гелием и более тяжёлыми элементами. Чем меньше успела измениться химическая среда, тем ближе измеряемая доля гелия к той, что осталась после первичного нуклеосинтеза. Поэтому астрономы искали не «гелий времён Большого взрыва» напрямую, а наиболее чистые современные системы, где последующее звёздное производство минимально и его влияние можно контролировать.

Раньше первичную долю гелия часто получали экстраполяцией: измеряли множество галактик разной металличности и продолжали найденную зависимость к условному нулю тяжёлых элементов. В новом проекте ставка сделана на очень бедные металлами объекты, поэтому для ключевой выборки стало оправданным прямое взвешенное среднее. Одновременно оптические и инфракрасные спектры позволили учитывать температуру и плотность газа, поглощение света звёздами, межзвёздное покраснение, столкновительное возбуждение и перенос излучения — эффекты, которые при точности меньше процента уже нельзя считать мелкими поправками.

Полученное значение Yp = 0,2458 ± 0,0013 хорошо совпало с предсказанием стандартного первичного нуклеосинтеза, рассчитанным с использованием плотности барионов по данным Planck: 0,2467 ± 0,0002. Иными словами, более точное наблюдение не обнаружило расхождения с базовой картиной ранней Вселенной.

Но ценность результата именно в уменьшении пространства для возможных отклонений. Количество гелия зависит от скорости расширения Вселенной в первые минуты, а она чувствительна к числу лёгких релятивистских частиц. В отдельной работе проекта новую оценку гелия объединили с данными по первичному дейтерию и реликтовому излучению. Полученное число лёгких нейтринных семейств Nν = 2,925 ± 0,082 согласуется с тремя семействами Стандартной модели; для дополнительного вклада сверх трёх авторы получили верхнее ограничение ΔNν ≤ 0,125 при доверительной вероятности 95%.

Это не «подтверждение Большого взрыва» одним измерением и не закрытие поиска новой физики. Скорее, исследователи сделали один из старейших космологических тестов заметно жёстче: если в физике первых минут действительно присутствовали неизвестные лёгкие частицы или иной механизм, меняющий темп расширения, ему теперь приходится укладываться в более узкий диапазон.


Самое интересное здесь — не сама цифра около четверти массы обычного вещества, приходящаяся на первичный гелий, а размер ошибки. Когда неопределённость падает до половины процента, привычная космологическая картина получает уже не просто ещё одно подтверждение, а гораздо более чувствительный тест на то, что могло скрываться за её пределами.

Фото: редакция ИЗНАНКИ.