科学家发现了宇宙最初五分钟极其精确的化学“指纹”，为认识宇宙大爆炸和物理学定律提供了新线索。
科学家以前所未有的精度测量了宇宙最初五分钟内产生的氦量，从而更清晰地描绘出大爆炸后不久宇宙所处的条件。这一成果由包括美国明尼苏达大学双城分校科学家在内的国际研究团队取得，标志着精确宇宙学领域的一项重大进展。
这些发现发表于《天体物理学杂志》的五篇论文中，基于使用大型双筒望远镜进行的130小时观测。通过分析遥远星系，研究人员将这一基础测量的不确定度降低至仅0.5%，比此前的估计精确了三倍。
更高的精度为科学家提供了一种强大的新工具，可用于研究宇宙的起源并检验物理学的标准模型。这类基础性检验在推动科学认识进步和促进技术突破方面有着悠久历史。
“这是一项宏大尺度的物理学实验，也是我整个40年职业生涯中最重要的发现之一，”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·斯基尔曼说。“这是一个基本数值，专门告诉我们宇宙最初五分钟的条件。它具有直接检验物理学标准模型的诊断能力。”
为什么氦藏有大爆炸的线索
根据大爆炸理论，宇宙大约在138亿年前从一个极其炽热、致密的状态开始膨胀。有三条主要证据支持这一解释：宇宙的持续膨胀、宇宙微波背景辐射，以及宇宙最早时刻形成的氦和氘等轻元素的丰度。
尽管宇宙膨胀和微波背景已被广泛研究，但原始氦的测量在历史上受到的关注较少。更准确地确定其原始丰度，使研究人员能够探究宇宙仅有几分钟历史时所处的物理条件。
为了达到新的精度水平，研究团队没有采用估算原始氦的传统方法。传统方法需要观测大量星系，并通过外推结果来确定在后代恒星改变其化学组成之前存在多少氦。
相反，研究人员挑选了15个异常原始、小型且遥远的星系。这些星系经历的化学演化相对较少，因而成为宝贵的宇宙“时间胶囊”，保存着有关宇宙早期组成的线索。
强大望远镜带来创纪录精度
研究团队使用俄亥俄州立大学研发的精密光谱仪，同时检查了10多条氦谱线和15条氢谱线。将这些信号结合起来研究，使研究人员能够识别并校正早期研究大多可能忽略的细微测量误差来源。
当研究人员试图将不确定度降至1%以下时，这些微小效应变得尤为重要。将它们纳入考虑，对于实现新的0.5%精度至关重要。
“MODS光谱仪从概念到首次在天空观测用了12年时间，”俄亥俄州立大学文理学院天文学杰出教授理查德·波格说。“这正是我们设计它们所要完成的项目，看到它们交付成果令人无比满足。并非每天都有机会帮助建造测量宇宙基本性质的仪器。”
检验物理学基本定律
除了改进对宇宙最早化学组成的估计外，这项新测量还为物理学标准模型提供了重要检验。大爆炸后不久产生的氦量取决于当时的物理条件，包括存在哪些基本粒子。
利用精确的氦测量，研究人员能够计算早期宇宙中微子家族的数量。中微子是非常轻的亚原子粒子，其行为在科学家理解基础物理学方面发挥着重要作用。
因此，这些结果不仅加强了大爆炸的现有证据，还提供了一种更精确的方法，用来检验已有物理理论是否准确描述了宇宙最初几分钟的情况。
“我们在申请中承诺将不确定度做到0.5%，我们做到了，”斯基尔曼补充说。“在不可预测的科学世界里，这种情况并不常发生。”
这一国际合作汇集了来自明尼苏达大学双城分校、俄亥俄州立大学、冈萨加大学、西北大学、得克萨斯大学奥斯汀分校、印第安纳大学、加州大学圣克鲁兹分校、伊利诺伊大学、墨西哥国立自治大学和TRIUMF的科学家。
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