Zajrzeli do początków Wszechświata. To zostało po Wielkim Wybuchu

Hel jest drugim pod względem obfitości pierwiastkiem we Wszechświecie. Dziś powstaje między innymi we wnętrzach gwiazd, gdzie zachodzą reakcje syntezy jądrowej. Jednak zdecydowana większość helu obecnego we Wszechświecie ma znacznie starszą historię. Około 90 proc. jego obecnej ilości powstało w pierwszych minutach po Wielkim Wybuchu, podczas procesu znanego jako pierwotna nukleosynteza.

To właśnie dlatego hel jest dla kosmologów czymś w rodzaju zapisu wydarzeń z najwcześniejszej historii Wszechświata. Jego ilość zależy bowiem od warunków panujących w pierwszych sekundach po jego narodzinach. Jeżeli astronomowie potrafią dokładnie określić, ile pierwotnego helu znajduje się w materii, mogą porównać tę wartość z przewidywaniami modeli opisujących młody Wszechświat. A więc udowodnić, że nasza fizyka dokładnie opisuje warunki jakie panowały tuż po Wielkim Wybuchu.

Najnowsze wyniki są częścią prowadzonego od lat projektu LBT Yp. Naukowcy wykorzystali obserwacje wykonane przez Large Binocular Telescope, a następnie połączyli je z precyzyjną analizą światła emitowanego przez obłoki zjonizowanego gazu w ubogich w metale galaktykach.

Wyniki ich niezwykle ciekawych badań opublikowano w serii artykułów w prestiżowym The Astrophysical Journal.

Problem polega na tym, że współczesne galaktyki nie są idealnym miejscem do takiego pomiaru. Przez miliardy lat ich gwiazdy produkowały kolejne pierwiastki, wzbogacając otaczający je gaz. W astronomii wszystko cięższe od helu i wodoru określa się umownie mianem metali. Im więcej takich pierwiastków znajduje się w danym obłoku, tym trudniej odtworzyć jego pierwotny skład.

Dlatego zespół LBT Yp skierował uwagę na obszary o wyjątkowo niskiej metaliczności. Takie miejsca zachowały więcej informacji o warunkach panujących w bardzo młodym Wszechświecie. Jednym z przykładów jest niewielka galaktyka Leo P, której zawartość cięższych pierwiastków wynosi zaledwie kilka procent poziomu obserwowanego w Drodze Mlecznej.

Badacze analizowali linie widmowe helu zarówno w świetle widzialnym, jak i w podczerwieni. Intensywność poszczególnych sygnałów zależy między innymi od temperatury oraz gęstości gazu. Szczególnie przydatna okazała się linia helu o długości fali 10830 angstremów, obserwowana w bliskiej podczerwieni za pomocą instrumentów LUCI znajdujących się na LBT.

W ramach projektu uzyskano wysokiej jakości dane dla 48 ubogich w metale obiektów. To znacznie większy i bardziej jednorodny zbiór pomiarów podczerwonych niż wcześniej dostępny, co pozwoliło lepiej kontrolować źródła błędów.

Najważniejszym rezultatem całego projektu jest określenie pierwotnej zawartości helu na poziomie Yp = 0,2458 ± 0,0013. Oznacza to dokładność sięgającą około 0,5 proc. i stanowi istotną poprawę względem wcześniejszych pomiarów, w których niepewność była rzędu 2 proc.

Wartość uzyskana przez astronomów bardzo dobrze zgadza się z przewidywaniami standardowej nukleosyntezy Wielkiego Wybuchu. Obliczenia oparte na gęstości materii barionowej wyznaczonej na podstawie obserwacji kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła przewidywały około 0,2467. Różnica między tym wynikiem a nowym pomiarem jest niewielka.

Znaczenie pomiaru jest znacznie głębsze. Zawartość tego pierwiastka pozwala sprawdzić, czy fizyka opisująca pierwsze sekundy istnienia kosmosu jest zgodna z tym, co obserwujemy dziś. Na pierwszy rzut oka fakt, że badanie potwierdziło znane nam już przewidywania, może nie brzmieć zbyt sensacyjnie. Tak naprawdę jest to jednak wielkie osiągnięcie i triumf nauki.

Jednym z najciekawszych elementów tej historii są neutrina. To niezwykle lekkie cząstki, które bardzo słabo oddziałują z materią i dlatego niezwykle trudno je bezpośrednio obserwować. W pierwszych chwilach po Wielkim Wybuchu miały jednak wpływ na tempo procesów zachodzących w gorącej materii.

Liczba rodzajów neutrin wpływa na warunki panujące podczas pierwotnej nukleosyntezy, a tym samym między innymi na ilość helu, jaka powinna powstać. Oznacza to, że astronomowie mogą wykorzystać skład odległych galaktyk jako pośredni detektor fizyki cząstek elementarnych sprzed miliardów lat.

Analiza przeprowadzona przez zespół LBT Yp wskazuje, że liczba lekkich gatunków neutrin obecnych podczas nukleosyntezy jest zgodna ze standardowym modelem fizyki cząstek. W analizie, w której liczba tych cząstek była pozostawiona jako parametr, otrzymano Nν = 2,925 ± 0,082. Wynik pozostaje zgodny z wartością trzech rodzin neutrin przewidywaną przez standardowy model.

To również oznacza, że nie ma obecnie potrzeby wprowadzania dodatkowych, nieznanych rodzajów lekkich cząstek, aby wyjaśnić obserwowaną ilość helu.

Astronomowie mają jednak zasadniczy problem. Nie mogą bezpośrednio zobaczyć pierwszych sekund po Wielkim Wybuchu. Najstarszym światłem, które możemy obserwować bezpośrednio, jest kosmiczne mikrofalowe promieniowanie tła. Zostało ono uwolnione około 380–400 tys. lat po narodzinach Wszechświata, gdy kosmos stał się przezroczysty dla światła.

Pomiędzy tym momentem a pierwszymi sekundami istnienia Wszechświata znajduje się ogromna luka obserwacyjna. Pierwotny hel pomaga ją jednak częściowo wypełnić. Jest pozostałością procesów zachodzących znacznie wcześniej, a jego obecna ilość może być zestawiona zarówno z teorią nukleosyntezy Wielkiego Wybuchu, jak i z pomiarami kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła.

W ten sposób dwa zupełnie różne rodzaje obserwacji prowadzą do sprawdzania tego samego modelu. Jedne dotyczą promieniowania pochodzącego z młodego Wszechświata, drugie składu chemicznego współczesnych, ale bardzo ubogich w metale galaktyk.

Nowy pomiar pokazuje przy tym, jak wiele informacji można wydobyć z bardzo słabego światła odległych galaktyk. Obserwując konkretne linie widmowe helu, astronomowie mogą badać warunki, które istniały, zanim powstały pierwsze gwiazdy, galaktyki i planety.

To szczególny rodzaj kosmicznej archeologii. Zamiast szukać bezpośrednich śladów pierwszych chwil Wszechświata, naukowcy analizują pozostałości po tamtych procesach, które przetrwały do dziś. Tym razem śladem okazał się hel, a jego ilość ponownie wskazała, że standardowy opis narodzin Wszechświata bardzo dobrze zgadza się z obserwacjami.

Główna ilustracja: Zdjęcie gwiazdy V838 Monocerotis wykonane przez Kosmiczny Teleskop Hubble'a ukazuje dramatyczne zmiany w oświetleniu otaczających ją struktur pyłowych obłoków. Efekt ten, zwany echem świetlnym, ujawnił nigdy wcześniej nieobserwowane struktury pyłowe, gdy gwiazda nagle pojaśniała na kilka tygodni na początku 2002 r. Fot. NASA, ESA i zespół ds. dziedzictwa Hubble'a (STScI/AURA)