دانشمندان میزان هلیوم تولید شده در پنج دقیقه اول کیهان را با دقت بی سابقه ای اندازه گیری کرده اند و تصویر واضح تری از شرایطی که مدت کوتاهی پس از انفجار بزرگ وجود داشت ارائه می دهند. دستاورد یک تیم تحقیقاتی بین‌المللی که شامل دانشمندانی از دانشگاه شهرهای دوقلوی مینه‌سوتا است، نشان‌دهنده یک پیشرفت بزرگ در کیهان‌شناسی دقیق است.
یافته ها، ارائه شده در پنج مقاله منتشر شده در مجله اخترفیزیک، بر اساس 130 ساعت رصد با استفاده از تلسکوپ بزرگ دوچشمی است. محققان با تجزیه و تحلیل کهکشان‌های دور، عدم قطعیت در این اندازه‌گیری بنیادی را تنها به 0.5 درصد کاهش دادند و آن را سه برابر دقیق‌تر از تخمین‌های قبلی کرد.
دقت بهبود یافته ابزار جدید قدرتمندی را برای مطالعه منشاء جهان و آزمایش مدل استاندارد فیزیک در اختیار دانشمندان قرار می دهد. چنین آزمون‌های بنیادی سابقه طولانی در پیشرفت درک علمی و کمک به پیشرفت‌های فناوری دارند.
ایوان اسکیلمن، استاد بازنشسته در کالج علوم و مهندسی دانشگاه مینه‌سوتا در دانشکده فیزیک و نجوم، می‌گوید: «این یک آزمایش فیزیک در مقیاس بزرگ و یکی از بزرگترین اکتشافات کل زندگی 40 ساله من است. “این یک عدد اساسی است که به طور خاص در مورد شرایط جهان ما در پنج دقیقه اول به ما می گوید. این عدد دارای قدرت تشخیصی است که مستقیماً با مدل استاندارد فیزیک صحبت می کند.”
چرا هلیوم سرنخ هایی از بیگ بنگ دارد؟
طبق نظریه بیگ بنگ، جهان تقریباً 13.8 میلیارد سال پیش از حالت بسیار داغ و متراکم شروع به انبساط کرد. سه خط اصلی شواهد این توضیح را تایید می‌کنند: انبساط مداوم جهان، تابش پس‌زمینه مایکروویو کیهانی، و مقادیر عناصر سبکی مانند هلیوم و دوتریوم که در اولین لحظات تشکیل شده‌اند.
اگرچه انبساط کیهانی و پس زمینه مایکروویو به طور گسترده مورد مطالعه قرار گرفته است، اندازه گیری هلیوم اولیه در گذشته کمتر مورد توجه قرار گرفته است. تعیین فراوانی اولیه آن به طور دقیق‌تر به محققان اجازه می‌دهد تا شرایط فیزیکی حاکم در زمانی که کیهان تنها چند دقیقه از عمرش گذشته بود را بررسی کنند.
برای دستیابی به سطح جدیدی از دقت، تیم از روش مرسوم تخمین هلیوم اولیه منحرف شد. این رویکرد شامل مشاهده تعداد زیادی از کهکشان‌ها و برون‌یابی نتایج برای تعیین مقدار هلیوم قبل از تغییر ترکیب شیمیایی نسل‌های بعدی ستارگان است.
در عوض، محققان 15 کهکشان بسیار بکر، کوچک و دوردست را انتخاب کردند. این کهکشان‌ها تکامل شیمیایی نسبتا کمی را تجربه کرده‌اند و به آنها «کپسول‌های زمانی» کیهانی ارزشمندی تبدیل شده‌اند که سرنخ‌هایی از ترکیب اولیه کیهان دارند.
تلسکوپ های قدرتمند، دقت رکوردی را ارائه می دهند
این تیم از طیف نگارهای پیچیده توسعه یافته در دانشگاه ایالتی اوهایو برای مطالعه بیش از 10 خط طیفی هلیوم و 15 خط هیدروژن به طور همزمان استفاده کردند. بررسی این سیگنال‌ها با هم، شناسایی و تصحیح منابع ظریف خطای اندازه‌گیری را که مطالعات قبلی ممکن است تا حد زیادی نادیده گرفته باشند، ممکن ساخت.
چنین تأثیرات کوچکی به ویژه زمانی اهمیت پیدا می کند که محققان سعی می کنند عدم قطعیت را به کمتر از 1٪ کاهش دهند. گزارش آنها برای دستیابی به دقت 0.5% جدید ضروری بود.
ریچارد پوگ، استاد بازنشسته نجوم در کالج هنر و علوم دانشگاه ایالتی اوهایو، گفت: ساخت طیف‌نگارهای MODS از مفهوم تا اولین نور در آسمان 12 سال طول کشید. “این پروژه ای است که ما آنها را برای آن طراحی کرده ایم، و دیدن به ثمر رسیدن آنها بسیار رضایت بخش است. هر روز نمی توانید به ساخت ابزارهایی کمک کنید که چیزهای اساسی در مورد جهان ما را اندازه گیری کنند.”
تست قوانین اساسی فیزیک
اندازه‌گیری جدید علاوه بر تخمین‌های پالایش اولیه‌ترین ترکیب شیمیایی جهان، آزمون مهمی از مدل استاندارد فیزیک ارائه می‌کند. مقدار هلیوم ایجاد شده اندکی پس از انفجار بزرگ به شرایط فیزیکی در آن زمان، از جمله انواع ذرات بنیادی موجود بستگی دارد.
با استفاده از اندازه گیری دقیق هلیوم، محققان توانستند تعداد خانواده های نوترینو را در جهان اولیه محاسبه کنند. نوترینوها ذرات زیراتمی بسیار سبکی هستند و رفتار آنها نقش مهمی در درک دانشمندان از فیزیک بنیادی دارد.
بنابراین، نتایج نه تنها شواهد موجود برای انفجار بزرگ را تقویت می کند. آنها همچنین روش دقیق تری برای آزمایش اینکه آیا نظریه های فیزیکی ثابت شده به طور دقیق جهان را در اولین دقایق آن توصیف می کنند ارائه می دهند.
اسکیلمن افزود: “ما در پیشنهاد خود وعده عدم اطمینان نیم درصدی را داده بودیم و به آن دست یافتیم.” «در دنیای غیرقابل پیش‌بینی علم، این اتفاق خیلی زیاد نمی‌افتد.
این همکاری بین المللی دانشمندانی از دانشگاه شهرهای دوقلوی مینه سوتا، دانشگاه ایالتی اوهایو، دانشگاه گونزاگا، دانشگاه نورث وسترن، دانشگاه تگزاس در آستین، دانشگاه ایندیانا، دانشگاه کالیفرنیا سانتا کروز، دانشگاه ایلینوی، دانشگاه ملی خودمختار مکزیک و TRIUMF گرد هم آورد.
