宇宙诞生后5分钟的秘密，藏在这些氦里

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翻译：张瀚之

校对：牧夫校对组

编排：陶邦惠

后台：朱宸宇

https://scitechdaily.com/a-new-helium-measurement-is-testing-the-universes-first-five-minutes/

文章概要：

最近，研究人员用大双筒望远镜（Large Binocular Telescope，缩写为LBT），把宇宙最初的氦丰度测量的不确定度降低到了过去的三分之一，并且让我们能更精确地窥见宇宙诞生之初的模样。

今天我们分享的这项研究的团队选取了15个遥远的小型星系作为研究对象。这15个是人类迄今发现的“化学”演化程度最低的星系之一。而且，他们的物质组成仍然保留着很多早期宇宙的原始特征。

图片来源：NASA

氦是宇宙中最早形成的元素之一。宇宙诞生后的最初几分钟里，第一批氦就形成了，因此它今天的丰度依然保留着那个古老时代的信息。为了追寻这份跨越约138亿年的化学记录，一个团队瞄定了15个遥远的小型星系。它们经历的演变（尤其是化学层面的）很少，因此今天的元素组成依然与早期宇宙较为接近。

来自明尼苏达双城大学的研究团队通过研究这些星系，以前所未有的精度估算出了宇宙最初几分钟内形成的氦的丰度。并且，他们将这一估算结果的不确定度降低至 0.5%，为此前人们估算的不确定水平的三分之一。

✦从最少被改变的星系中计算更准确的氦丰度

通过选择最少被改变的星系，天文学家们可以不再使用过去估算原初氦丰度时所依赖的方法。曾经，研究人员会测量大量星系，再根据他们呈现出的变化趋势反推出一个初始值，这种方法被称为外推法（extrapolation）。这次，天文学家们聚焦了迄今发现的、化学演化程度最低的一批星系，然后直接计算了早期宇宙的化学组成。

这项研究使用大双筒望远镜（LBT）进行了长达130小时的观测，相关成果分别发表在《天体物理学杂志》上的五篇论文中。天文学家们利用了俄亥俄州立大学研制的光谱仪，将来自这些星系的光分解为不同波长，然后获得了一系列清晰的谱线（spectral lines）。之后，通过分析这些谱线，它们测定了其中氦和氢的丰度。

“MODS光谱仪从最初提出构想到实现首次天文观测，前后总共花了12年时间。”俄亥俄州立大学文理学院杰出天文学教授理查德·波格（Richard Po说道，“这正是12年前我们当初设计这些仪器时希望它们完成的研究。如今终于看到它们实现这一目标，真的令我们无比欣慰！毕竟，能够参与建造一台用于测定宇宙基本性质的仪器，并不是常有的机会。”

天文学家们同时分析了10余条氦谱线和15条氢谱线。将这些谱线放在一起进行联合分析时，我们就能进一步减少微小的系统效应（一些可能使测量结果持续、系统性地偏离真实值的因素）。在以往的研究中，这些影响通常被认为可以忽略不计。但当测量精度进入 1%以内时，它们就再也不能被忽视了。

“我们在研究计划中承诺，要把不确定度做到0.5%，而现在我们真的实现了。”明尼苏达大学科学与工程学院物理与天文学院杰出教授埃文·斯基尔曼（Evan Skillman）说道，“在充满不可预测性的科学研究中，这样的事情其实并不常见。”

✦氦丰度还可以检验大爆炸理论

更精确的氦丰度测量，也让科学家能够更严格地检验大爆炸理论。按照这一理论，大约138亿年前，宇宙从一个极端炽热、致密的状态开始膨胀，并逐渐演化成今天的模样。而氦、氘（氢的一种同位素）等轻元素在宇宙中的丰度，正是检验这幅宇宙早期演化图景的重要依据，也是支撑大爆炸理论的三大观测支柱之一。另外两大观测支柱分别是宇宙膨胀，以及早期宇宙遗留下来的宇宙微波背景辐射。相比之下，人们对原初氦丰度的精密测量和研究还没有那么充分。

这一测量结果还为物理学家检验粒子物理标准模型（Standard Model）提供了一种新途径。标准模型是描述基本粒子及其相互作用的理论框架。

“这是一场宏大尺度上的物理实验，也是我40年科研生涯中最重要的发现之一。”斯基尔曼说道，“我们得到的是一个基本的物理数值，它能够直接告诉我们宇宙诞生后最初五分钟里的具体状况。它具有强大的检验能力，可以直接用来检验粒子物理标准模型。”

利用测得的氦丰度，研究团队还能够推算早期宇宙中存在的中微子家族数量。中微子是一类质量极小的亚原子粒子。通过这种方法，科学家得以把今天对遥远星系的观测，与一个更为基础的问题联系起来：在宇宙诞生仅仅几分钟时，究竟有哪些基本粒子存在于其中？

我们离宇宙最初的几分钟早已隔了138亿年多。但幸运的是，早期宇宙并没有把所有痕迹都抹去。第一批形成的氦，就像一份保存至今的宇宙出生记录。而那些经历了极少化学演化的遥远星系，则替我们尽可能完整地保存着这份记录。虽然我们望向的是数以百万、甚至数十亿光年外的星系，研究的是几条微弱的光谱线，最终追问的却是一个再简单不过的问题：我们的宇宙，最初到底是什么样子？

责任编辑：郭皓存

牧夫新媒体编辑部

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图片来源：Kevin Saragozza