Astronomowie policzyli hel z pierwszych minut istnienia kosmosu

Wodór ustępuje miejsca tylko helowi, jeśli chodzi o powszechność występowania pierwiastków we Wszechświecie. Obecnie hel powstaje głównie w jądrach gwiazd, w toku reakcji termojądrowych, jednak większość tego pierwiastka, jaki dziś obserwujemy, pochodzi z dużo odleglejszej epoki. Szacuje się, że aż 90 proc. istniejącego helu narodziło się w ciągu pierwszych minut po Wielkim Wybuchu, w trakcie tzw. pierwotnej nukleosyntezy.

Dla badaczy zajmujących się kosmologią hel pełni funkcję swoistego świadectwa najdawniejszych wydarzeń we Wszechświecie. Jego ilość odzwierciedla bowiem warunki fizyczne panujące w pierwszych sekundach istnienia kosmosu. Precyzyjne wyznaczenie zawartości pierwotnego helu daje możliwość zderzenia tej wartości z przewidywaniami teoretycznymi opisującymi młody Wszechświat, a tym samym sprawdzenia, czy nasze rozumienie fizyki tamtego okresu jest trafne.

Opisywane odkrycie to efekt wieloletniego projektu badawczego LBT Yp. Badacze oparli się na obserwacjach zebranych przez teleskop Large Binocular Telescope, zestawiając je ze szczegółową analizą światła pochodzącego z obłoków zjonizowanego gazu w galaktykach o niskiej zawartości metali.

Rezultaty tych badań trafiły do kilku artykułów opublikowanych w renomowanym czasopiśmie The Astrophysical Journal.

Hel jako świadek narodzin kosmosu

Kłopot w tym, że dzisiejsze galaktyki nie są dobrym materiałem do takich pomiarów. Miliardy lat ewolucji gwiazdowej doprowadziły do wzbogacenia otaczającego je gazu o kolejne pierwiastki. W żargonie astronomicznym wszystko, co cięższe od wodoru i helu, nazywa się metalami. Im wyższa zawartość takich pierwiastków w danym obłoku gazu, tym trudniej odtworzyć jego pierwotny skład chemiczny.

Z tego powodu naukowcy z zespołu LBT Yp skupili się na obiektach o wyjątkowo skąpej zawartości metali. To właśnie tam zachowało się najwięcej informacji o warunkach z bardzo wczesnego etapu istnienia Wszechświata. Przykładem takiego obiektu jest niewielka galaktyka Leo P, w której zawartość cięższych pierwiastków sięga jedynie kilku procent tego, co obserwuje się w Drodze Mlecznej.

Badacze przyjrzeli się liniom widmowym helu zarówno w zakresie światła widzialnego, jak i podczerwieni. Siła poszczególnych sygnałów zależy m.in. od temperatury i gęstości gazu. Kluczowa okazała się linia helu o długości fali 10830 angstremów, rejestrowana w bliskiej podczerwieni przez instrumenty LUCI zainstalowane na LBT.

W efekcie projektu zgromadzono dane wysokiej jakości dla 48 obiektów ubogich w metale. To zbiór znacznie liczniejszy i bardziej spójny niż wszystkie dotychczasowe pomiary podczerwone, co umożliwiło skuteczniejsze wyeliminowanie błędów pomiarowych.

Precyzja na poziomie pół procenta

Kluczowym osiągnięciem całego przedsięwzięcia jest wyznaczenie pierwotnej zawartości helu na poziomie Yp = 0,2458 ± 0,0013. Taki wynik oznacza dokładność rzędu 0,5 proc., czyli wyraźną poprawę wobec wcześniejszych szacunków, gdzie margines błędu wynosił około 2 proc.

Uzyskana wartość znakomicie koresponduje z tym, co przewiduje standardowy model nukleosyntezy Wielkiego Wybuchu. Rachunki bazujące na gęstości materii barionowej, wyznaczonej z obserwacji kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła, dawały wynik na poziomie ok. 0,2467. Rozbieżność między tymi dwiema wartościami jest minimalna.

Wagę tego pomiaru trudno przecenić. Zawartość helu daje możliwość weryfikacji, czy prawa fizyki opisujące pierwsze sekundy istnienia Wszechświata pokrywają się z tym, co obserwujemy współcześnie. Choć samo potwierdzenie znanych wcześniej przewidywań może wydawać się mało spektakularne, w rzeczywistości mamy do czynienia z ogromnym sukcesem nauki.

Neutrina policzone dzięki helowi

Szczególnie interesującym wątkiem tego badania są neutrina - niezwykle lekkie cząstki, które niemal nie wchodzą w interakcje z materią, przez co ich bezpośrednia obserwacja jest ogromnym wyzwaniem. Mimo to w pierwszych momentach po Wielkim Wybuchu odgrywały istotną rolę, wpływając na tempo procesów zachodzących w rozgrzanej materii.

Liczba rodzajów neutrin oddziałuje na warunki towarzyszące pierwotnej nukleosyntezie, a więc pośrednio także na ilość powstałego wówczas helu. Dzięki temu astronomowie mogą traktować skład chemiczny odległych galaktyk jako swoisty pośredni detektor fizyki cząstek elementarnych sprzed miliardów lat.

Wyniki analiz zespołu LBT Yp potwierdzają, że liczba lekkich rodzajów neutrin obecnych podczas nukleosyntezy jest zgodna ze standardowym modelem fizyki cząstek. Gdy liczbę neutrin potraktowano jako zmienny parametr, otrzymano wartość Nν = 2,925 ± 0,082, co pozostaje w zgodzie z przewidywaną przez model standardowy liczbą trzech rodzin neutrin.

Wynik ten oznacza również, że obecnie nie ma potrzeby postulowania istnienia dodatkowych, nieznanych dotąd lekkich cząstek, by wytłumaczyć zaobserwowaną ilość helu.

Spojrzenie w epokę niedostępną bezpośredniej obserwacji

Astronomowie napotykają jednak fundamentalną trudność - nie da się bezpośrednio zaobserwować pierwszych sekund istnienia Wszechświata. Najstarszym światłem dostępnym naszej obserwacji pozostaje kosmiczne mikrofalowe promieniowanie tła, które zostało uwolnione około 380-400 tysięcy lat po narodzinach kosmosu, gdy stał się on przezroczysty dla promieniowania.

Między tym momentem a pierwszymi sekundami istnienia Wszechświata rozciąga się olbrzymia luka, której nie sposób zbadać bezpośrednio. Pierwotny hel pozwala jednak częściowo tę lukę wypełnić - jest bowiem pozostałością procesów, które zaszły dużo wcześniej, a jego dzisiejsza ilość może zostać porównana zarówno z teorią nukleosyntezy Wielkiego Wybuchu, jak i z danymi z kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła.

W ten sposób dwa całkowicie odmienne typy obserwacji - promieniowanie z młodego Wszechświata oraz skład chemiczny współczesnych, lecz ubogich w metale galaktyk - służą weryfikacji tego samego modelu teoretycznego.

Nowy pomiar pokazuje jednocześnie, ile informacji można wydobyć ze słabego światła docierającego z odległych galaktyk. Analizując konkretne linie widmowe helu, naukowcy są w stanie badać warunki panujące jeszcze przed powstaniem pierwszych gwiazd, galaktyk i planet.

To swoisty rodzaj kosmicznej archeologii - zamiast poszukiwać bezpośrednich śladów najwcześniejszych chwil istnienia Wszechświata, badacze analizują pozostałości po tamtych procesach, które dotrwały do naszych czasów. Tym razem taką pozostałością okazał się hel, a jego zmierzona ilość po raz kolejny potwierdziła, że standardowy opis narodzin kosmosu bardzo dobrze zgadza się z rzeczywistymi obserwacjami.

Źródło: Spider's Web