ستاره شناسان مقدار هلیوم را از اولین دقایق پس از بیگ بنگ اندازه گیری کرده‌اند.

به گزارش مجله خبری نگار، برای درک چگونگی پیدایش و تکامل جهان، دانشمندان نه تنها کهکشان‌ها و ستارگان دوردست، بلکه عناصر شیمیایی تشکیل‌شده در مراحل اولیه تاریخ کیهان را نیز مطالعه می‌کنند. فراوانی آنها سرنخ‌هایی در مورد دما، چگالی و قوانین فیزیکی که اندکی پس از انفجار بزرگ عمل می‌کردند، ارائه می‌دهد. ستاره‌شناسان توانسته‌اند فراوانی هلیوم اولیه را با دقتی بسیار فراتر از تخمین‌های قبلی اندازه‌گیری کنند. ایزوستیا در مورد چگونگی کمک ترکیب شیمیایی کهکشان‌های باستانی به گشودن اسرار جهان اولیه گزارش می‌دهد.

ردپای اولین دقایق کیهان

محققان، از جمله متخصصانی از دانشگاه مینه سوتا، میزان هلیوم تولید شده در پنج دقیقه اول پس از بیگ بنگ را اندازه گیری کردند. نتایج در پنج نشریه در مجله اخترفیزیک (AJ) ارائه شده است.

دانشمندان برای کار خود از تلسکوپ دوچشمی بزرگ استفاده کردند و در مجموع ۱۳۰ ساعت رصد انجام دادند. آنها ۱۵ کهکشان کوچک و دوردست را که ترکیبات شیمیایی آنها از زمان تشکیلشان نسبتاً کم تغییر کرده است، مطالعه کردند. این امر به محققان اجازه داد تا اطلاعاتی در مورد ماده‌ای که ویژگی‌های جهان اولیه را حفظ کرده است، به دست آورند.

در نتیجه، عدم قطعیت در اندازه‌گیری فراوانی هلیوم اولیه به ۰.۵٪ کاهش یافت. این تقریباً سه برابر دقیق‌تر از تخمین‌های قبلی است. این دقت به دانشمندان اجازه می‌دهد تا ایده‌های موجود در مورد مراحل اولیه تاریخ کیهانی و شرایط فیزیکی که تشکیل عناصر سبک را تعیین کرده است، آزمایش کنند.

ایوان اسکیلمن، استاد برجسته دانشکده فیزیک و نجوم دانشگاه مینه سوتا

این یک آزمایش عظیم فیزیک و یکی از مهمترین اکتشافات در تمام دوران ۴۰ ساله کاری من است. این یک عدد بنیادی است که به طور خاص در مورد شرایط جهان ما در پنج دقیقه اول وجودش به ما می‌گوید.

طبق نظریه بیگ بنگ، جهان هستی تقریباً ۱۳.۸ میلیارد سال پیش از یک حالت بسیار داغ و متراکم شروع به انبساط کرد. در اولین دقایق پس از شروع انبساط، عناصر شیمیایی سبک، از جمله هلیوم و دوتریوم، تشکیل شدند. فراوانی اولیه آنها به شرایط فیزیکی حاکم در آن زمان بستگی داشت.

مقدار هلیوم اولیه یکی از راه‌های مهم برای آزمایش نظریه بیگ بنگ است. شواهد دیگر شامل انبساط مداوم جهان و تابش زمینه کیهانی (CMB) است - تابشی از جهان اولیه که تا به امروز باقی مانده است.

پیش از این، ستاره‌شناسان اغلب فراوانی اولیه هلیوم را با مشاهده چندین کهکشان و محاسبه ترکیب شیمیایی ماده قبل از اینکه نسل‌های بعدی ستارگان آن را تغییر دهند، تخمین می‌زدند. با این حال، این رویکرد نیاز به برون‌یابی داشت که می‌توانست عدم قطعیت بیشتری را ایجاد کند.

در مطالعه جدید، محققان بر روی ۱۵ کهکشان به‌طور خاص بدون تغییر تمرکز کردند. از آنجایی که ماده آنها تکامل شیمیایی نسبتاً کمی را تجربه کرده است، آنها مانند کپسول‌های زمان کیهانی عمل می‌کنند. مطالعه آنها امکان تخمین دقیق‌تری از میزان هلیوم موجود در جهان اولیه را فراهم می‌کند.

چگونه دقت بهبود یافت؟

ستاره‌شناسان برای تجزیه و تحلیل خود از طیف‌نگار‌های MODS که با مشارکت دانشگاه ایالتی اوهایو توسعه داده شده‌اند، استفاده کردند. این ابزار‌ها امکان مطالعه طیف‌های نشری و تعیین عناصر شیمیایی موجود در اجرام رصد شده را فراهم می‌کنند.

این تیم به طور همزمان بیش از ۱۰ خط طیفی هلیوم و ۱۵ خط طیفی هیدروژن را مطالعه کرد. مقایسه سیگنال‌ها به شناسایی و اصلاح منابع کوچک خطا که در مطالعات قبلی به سختی قابل محاسبه بودند، کمک کرد. با اندازه‌گیری‌هایی با عدم قطعیت کمتر از ۱ ٪، حتی چنین اثرات کوچکی نیز می‌توانند به طور قابل توجهی بر نتیجه نهایی تأثیر بگذارند.

توسعه طیف‌نگارها، از ایده اولیه تا اولین مشاهدات آسمان، ۱۲ سال طول کشید. به گفته ریچارد پوگ، استاد برجسته نجوم در دانشگاه ایالتی اوهایو، این ابزار‌ها به طور خاص برای پرداختن به چنین چالش‌هایی، مربوط به اندازه‌گیری ویژگی‌های اساسی جهان، ساخته شده‌اند.

اندازه‌گیری‌های جدید نه تنها برای اصلاح ترکیب شیمیایی جهان اولیه مهم هستند، بلکه میزان هلیوم تولید شده پس از بیگ بنگ به شرایطی که اولین واکنش‌های هسته‌ای در آن رخ داده است، از جمله تعداد انواع ذرات بنیادی موجود در آن زمان، بستگی دارد. محققان با استفاده از داده‌های بهبود یافته هلیوم، توانستند تعداد خانواده‌های نوترینو را در جهان اولیه محاسبه کنند.

نوترینو‌ها ذرات زیراتمی بسیار سبکی هستند که به طور ضعیفی با ماده برهمکنش می‌کنند، اما نقش مهمی در درک مدرن از فیزیک بنیادی ایفا می‌کنند.

نتایج به‌دست‌آمده فرصتی را برای آزمایش دقیق‌تر مدل استاندارد فیزیک ذرات فراهم می‌کند - نظریه‌ای که ذرات بنیادی شناخته‌شده و برهمکنش‌های آنها را توصیف می‌کند. مقایسه محاسبات با مشاهدات نجومی به دانشمندان کمک می‌کند تا تعیین کنند که این مدل تا چه حد شرایط موجود در دقایق اولیه پس از انفجار بزرگ را توصیف می‌کند.

این کار نظریه بیگ بنگ را رد نمی‌کند، بلکه یکی از پارامتر‌های مهم مورد استفاده برای آزمایش آن را روشن می‌کند. هرچه محققان مقدار هلیوم اولیه را با دقت بیشتری اندازه‌گیری کنند، می‌توانند مدل‌های فیزیکی جهان اولیه را با دقت بیشتری آزمایش کنند و به دنبال اختلافات احتمالی بین محاسبات و مشاهدات باشند.