תצפיות ב־15 גלקסיות דלות מתכות צמצמו את אי־הוודאות בהערכת כמות ההליום הקדמוני ל־0.5% — כשליש משהייתה קודם לכן
הליום, יסוד כימי קל, נושא רמזים על טיב היקום בחמש הדקות הראשונות. כדי לקרוא את הרישום הזה, צוות בינ"ל פנה ל-15 גלקסיות קטנות ורחוקות שהכימיה שלהן השתנתה מעט מאוד, ושמרה על הרכב קרוב לזה של היקום המוקדם.
באמצעות חקר הגלקסיות האלה, החוקרים העריכו כמה הליום נוצר בדקות הפתיחה האלה בדיוק חסר תקדים. הם צמצמו את אי־הוודאות בהערכה הזאת ל-0.5%, שליש מהרמה הקודמת.
גלקסיות קדמוניות מחדדות את הערכת ההליום
בחירת הגלקסיות עזרה לצוות להתרחק מגישה עקיפה להערכת שפע ההליום המקורי. באופן מסורתי, חוקרים מדדו גלקסיות רבות והמשיכו מגמה בנתונים אחורה אל ערך התחלתי מוערך, שיטה המכונה אקסטרפולציה. ההתמקדות בכמה מהגלקסיות שהתפתחו הכי מעט מבחינה כימית העניקה לחוקרים מבט ברור יותר על ההרכב המוקדם הזה.
המחקר הצריך 130 שעות תצפיות של הטלסקופ הבינוקולארי הגדול. ספקטרוגרפים שנבנו באוניברסיטת מדינת אוהיו הפרידו את אור הגלקסיות לאורכי הגל המרכיבים אותו, וחשפו תכונות ייחודיות הנקראות קווים ספקטרליים ששימשו את החוקרים למדידת הליום ומימן.
"נדרשו 12 שנים לבנות את הספקטרוגרפים האלה מהרעיון עד האור הראשון על השמיים", אמר פרופסור ריצ'רד פוג מהאוניברסיטה. "זה סוג הפרויקט שלמענו תכננו אותם, ומאוד מספק לראות אותם מספקים את הסחורה. לא כל יום מתאפשר לבנות מכשירים שמודדים משהו יסודי לגבי היקום שלנו".
החוקרים ניתחו יותר מעשרה קווי הליום ו-15 קווי מימן בו-זמנית. הבדיקה שלהם ביחד אפשרה לצוות להביא בחשבון השפעות מערכתיות קטנות, שיכולות להסיט בעקביות מדידות מהערך האמיתי. במחקר קודם החשיבו את ההשפעות האלה כזניחות. בדיוק של פחות מאחוז, אי אפשר כבר להתעלם מהן.
"הבטחנו אי-ודאות של חצי אחוז בהצעת המחקר שלנו, וקיימנו", אמר פרופסור אוון סקילמן מאוניברסיטת מינסוטה. "בעולם המדע הבלתי צפוי, זה לא קורה לעיתים תכופות".
בדיקת המפץ הגדול באמצעות הליום
מדידה מדויקת יותר של הליום מחזקת אחד משלושה קווי הראיות המרכזיים שתומכים בתיאוריית המפץ הגדול, המתאר את התפשטות היקום ממצב מאוד חם וצפוף לפני כ־13.8 מיליארד שנים. השפע של יסודות קלים, ובהם הליום ודיטריום, צורה של מימן, מספק מבחן לתיאור הזה של ההיסטוריה הקוסמית. הליום זכה למחקר פחות נרחב משני עמודי התווך האחרים: התפשטות היקום וקרינת הרקע הקוסמית, שהיא קרינה במיקרוגל שנותרה מההיסטוריה המוקדמת של היקום.
המדידה גם מספקת לפיזיקאים דרך לבדוק את המודל הסטנדרטי, המסגרת המתארת חלקיקים יסודיים והאינטראקציות שלהם.
"זה ניסוי בפיזיקה בקנה מידה גדול ואחת התגליות הכי גדולות בארבעים שנות הקריירה שלי", אמר סקילמן. "זה מספר יסודי שמיידע אותנו ספציפית על התנאים ביקום שלנו בחמש הדקות הראשונות שלו. יש לו כוח דיאגנוסטי שמתייחס ישירות למודל הסטנדרטי של הפיזיקה".
באמצעות שפע ההליום הצוות הצליח להעריך את מספר משפחות הנויטרינו, חלקיקים תת-אטומיים מאוד קלים, שהיו ביקום המוקדם. הוא מקשר תצפיות של גלקסיות היום לשאלות בנוגע לאיזה חלקיקים אכלסו את היקום כשהיה רק בן כמה דקות.
המאמר המרכזי בסדרת המחקרים מדווח על מדידה של 0.2458 ± 0.0013 כחלקו של הליום־4 במסה של החומר הבריוני הקדמוני. הערך תואם את חיזוי הנוקלאוסינתזה של המפץ הגדול במסגרת אי־הוודאות.
שאלות ותשובות
מה מדדו החוקרים?
הם מדדו את כמות ההליום באזורים דלי מתכות בגלקסיות, כדי לאמוד את כמותו ביקום זמן קצר אחרי המפץ הגדול.
מדוע נבחרו דווקא 15 גלקסיות?
הן השתנו מעט יחסית מבחינה כימית, ולכן ההליום שנמדד בהן משקף טוב יותר את הכמות הקדמונית.
מה פירוש אי־ודאות של 0.5%?
זו אי־הוודאות היחסית באומדן כמות ההליום הקדמוני; היא נמוכה בערך פי שלושה מזו של מדידות קודמות.
המאמר המדעי
מקור הכתבה: המצפה הבינוקולרי הגדול.