美国天文学家最新发现指出：原初氦进一步证实我们对大爆炸的理解

宇宙诞生后的最初几分钟里，究竟发生了什么？

没有人能够穿越回138亿年前亲眼见证，但宇宙留下了一些“化石”，让科学家得以还原那段最早的历史。氦元素，就是其中最重要的“化石”之一。

近日，美国俄亥俄州立大学、明尼苏达大学等多所机构的天文学家，利用大双筒望远镜完成了迄今最精确的原初氦丰度测量，相关成果以系列论文形式发表在《天体物理学杂志》上。

结果显示，宇宙诞生之初的氦含量，与大爆炸理论的预测高度吻合。这为人类理解宇宙起源再添一块坚实的基石。

宇宙最初三分钟的“化石”

按照大爆炸理论，宇宙诞生后的最初几分钟内，温度和密度极高，质子和中子迅速结合，形成了最早的一批轻元素。这一过程被称为“大爆炸核合成”，产物主要包括氢、氦，以及少量的氘和锂。

整个过程只持续了短短几分钟。随着宇宙膨胀冷却，核反应很快停止，元素的比例就此“定格”。

研究人员估计，今天宇宙中约90%的氦是在大爆炸期间形成的，只有约10%来自此后恒星内部的核聚变。

这意味着，只要测出宇宙最初的氦含量，就能反推出宇宙婴儿期的物理条件。但问题在于，经过上百亿年的演化，恒星不断制造新的氦，原初的“指纹”早已被层层覆盖。

这就好比考古学家想要研究古代文明，却发现遗址早已被后人反复翻建，必须找到保存最完好的那一层。

为了找到尽可能“原汁原味”的样本，科学家把目光投向了一类特殊的天体：贫金属星系。

在天文学中，比氦更重的元素都被称为“金属”。金属含量越低，说明这些星系经历的恒星演化越少，保留的原初信息也就越多。

一台巨型望远镜的“宇宙考古”

这项研究隶属于一个名为“LBT Yp”的长期项目，目标就是精确测定宇宙诞生之初形成了多少氦。

研究团队使用的大双筒望远镜坐落于美国亚利桑那州的格雷厄姆山，拥有两面口径8.4米的主镜，是世界上最强大的光学望远镜之一。

两面主镜安装在同一个支架上，协同工作时的聚光能力相当于一台口径11.8米的望远镜。

团队从大量贫金属星系和星云中筛选出48个高质量样本，在光学和红外两个波段分析其中的氦信号。

之所以要同时使用红外波段，是因为红外区域的一条氦谱线对星云的物理状态格外敏感，能够帮助大幅降低测量误差。

论文第一作者、俄亥俄州立大学天文学博士生米卡埃拉·韦勒负责红外数据的处理工作。最终，团队得出的原初氦质量丰度为0.2458，误差仅为正负0.0013。

与此前的测量相比，这一结果的精度从约2%大幅提升到接近0.5%，被认为是迄今最精确的测定。

在天文学中，把误差压缩到千分之几的量级极为不易。这需要对星云温度、密度以及恒星光谱的干扰等因素进行细致校正。

韦勒表示，精确了解这些元素从何而来，有助于我们认识宇宙是如何演化的。

项目创始成员之一、俄亥俄州立大学天文学教授理查德·波格则感慨，团队终于拥有了足够精确的数据，可以揭示宇宙在诞生后几秒钟内是如何运转的。

为标准模型再投一张信任票

这一测量结果的意义，远不止一个数字。原初氦的含量对宇宙早期的膨胀速度十分敏感，而膨胀速度又与当时存在多少种“轻粒子”密切相关，其中最重要的就是中微子。

根据粒子物理标准模型，自然界存在三种中微子。

研究团队据此推算出的中微子种类数约为2.93，误差约为正负0.08，与标准模型的“3”高度一致，而且不确定性比此前的结果小了很多。

这意味着，在宇宙诞生之初，并没有明显迹象表明存在标准模型之外的额外粒子。

一些超越标准模型的理论曾预言存在额外的“暗辐射”粒子。这次的结果，大大压缩了这类理论的生存空间。

此外，结合氘丰度和宇宙微波背景辐射数据，团队还推算出了宇宙中普通物质的密度。

这一结果与通过宇宙微波背景独立测得的数值相互吻合。要知道，大爆炸核合成发生在宇宙诞生后约1秒到几分钟，而宇宙微波背景则形成于约40万年后。

两个相隔数十万年的物理过程，给出了相互印证的答案，这本身就是对标准宇宙学模型的有力支持。

当然，宇宙学中仍有未解之谜。例如，不同方法测得的宇宙膨胀速率之间的差异，至今仍是困扰学界的“哈勃张力”难题。

与大爆炸核合成直接相关的，则是著名的“锂问题”：理论预测的锂-7含量，明显高于在古老恒星中观测到的数值。研究人员认为，锂可能在恒星内部遭到了破坏，因此目前不适合用于检验大爆炸理论。

研究人员也指出，如果未来的氦测量与理论预测出现显著偏差，就可能挑战现有的早期宇宙模型，并指向新的物理学。

团队计划继续寻找尚未被发现的贫金属星系，并有望借助大型巡天项目的存档数据扩大样本。

一个看似平凡的氦原子，竟然承载着宇宙诞生最初时刻的秘密。每一次更精确的测量，都让人类离宇宙起源的真相更近一步。