Астрономы втрое повысили точность оценки количества гелия, появившегося в первые минуты после Большого взрыва. Новое измерение показало, что первичный гелий-4 составлял 0,2458 ± 0,0013 от массы обычного вещества во Вселенной, то есть около 24,6%. Погрешность удалось сократить примерно до 0,5%, а результат совпал с предсказанием стандартной космологической модели.
Непосредственно заглянуть в первые минуты жизни Вселенной невозможно. Самое древнее электромагнитное излучение, доступное наблюдениям, появилось примерно через 400 тысяч лет после Большого взрыва, когда вещество остыло настолько, что свет смог свободно распространяться в пространстве. Поэтому условия гораздо более ранней эпохи физики восстанавливают по веществу, которое сформировалось тогда и сохранило следы первоначального химического состава.
Одним из главных таких следов служит гелий-4. В течение первых нескольких минут температура и плотность Вселенной быстро падали, а протоны и нейтроны соединялись в ядра лёгких элементов. Процесс, известный как первичный нуклеосинтез, оставил после себя главным образом водород и гелий, а также небольшие количества дейтерия, гелия-3 и лития. Доля гелия особенно важна, поскольку напрямую зависит от скорости расширения молодой Вселенной и количества лёгких частиц, присутствовавших в тот момент.
Чтобы восстановить первоначальную долю гелия, исследователи наблюдали бедные тяжёлыми элементами области ионизированного газа в небольших галактиках. Чем меньше в таком газе кислорода, углерода и других элементов, созданных поздними поколениями звёзд, тем ближе химический состав к исходному веществу после Большого взрыва. В общей выборке находились 54 области, после проверки качества и возможных систематических ошибок для дальнейшего анализа оставили 41 объект. Особую роль сыграли 15 наиболее бедных тяжёлыми элементами целей с хорошим отношением сигнала к шуму.
Такой набор позволил отказаться от одного из главных источников неопределённости прежних измерений. Раньше астрономам часто приходилось изучать множество галактик с разным содержанием тяжёлых элементов, а затем математически продолжать найденную зависимость до нулевой металличности. Теперь наиболее химически простые объекты оказались достаточно близки к первоначальному составу, чтобы вычислить массовую долю гелия с помощью взвешенного среднего без подобной экстраполяции.
Для наблюдений команда использовала около 130 часов работы Большого бинокулярного телескопа. Спектры позволили одновременно анализировать более десяти линий гелия и 15 линий водорода, уточняя температуру и плотность газа и учитывая небольшие систематические эффекты, которые при точности порядка нескольких процентов почти незаметны, но становятся критичными при погрешности менее одного процента.
Полученное значение хорошо согласуется с расчётами стандартного первичного нуклеосинтеза. Модель, использующая независимо измеренную плотность обычного вещества во Вселенной, предсказывает массовую долю первичного гелия около 0,2467 ± 0,0002. Существенное расхождение между наблюдениями и расчётом могло бы указывать на неизвестные процессы или дополнительные частицы, менявшие скорость расширения ранней Вселенной, однако заметного противоречия исследователи не обнаружили.
Повышенная точность позволила проверить и количество лёгких релятивистских частиц в молодой Вселенной. В отдельном анализе авторы совместили новую долю гелия с измерениями первичного дейтерия и реликтового излучения. Расчёт дал эффективное число лёгких нейтринных видов 2,925 ± 0,082, что согласуется с тремя известными типами нейтрино Стандартной модели.
Новая оценка одновременно ужесточает ограничения на возможные неизвестные лёгкие частицы, которые могли существовать в первые секунды после Большого взрыва и увеличивать плотность энергии. Для моделей, допускающих дополнительные релятивистские компоненты сверх трёх стандартных нейтринных видов, исследователи получили верхний предел 0,125 дополнительного эффективного вида с доверительной вероятностью 95%. Пока первые минуты Вселенной не показывают заметных признаков физики, выходящей за рамки стандартной картины.