Nya viktiga mätningar av det tidiga universum

 

Bild NASA Forskarteamet fokuserade på 15 av de mest opåverkade  små, avlägsna galaxer som upptäckts för dessa artiklar (se nedan).

Ett internationellt team, inklusive forskare vid University of Minnesota Twin Cities, har nått en viktig milstolpe inom "precisionskosmologi" genom att mäta mängden helium som skapades under universums första fem minuter med en aldrig tidigare skådad noggrannhet.

Serien av fem artiklar publicerade i The Astrophysical Journal beskriver hur teamet kunde utnyttja 130 timmars observationstid på Large Binocular Telescope i Arizona för att minska osäkerheten kring detta fundamentala kosmiska värde till bara 0,5 %  tre gånger bättre än tidigare standarder. 

Studiens resultat ger nya ledtrådar om universums början och hjälper forskare att bättre förstå fysikens grunder. Experimentet  följer traditionen att testa standardmodellen inom fysiken, vilket historiskt många gånger har resulterat till teknologiska genombrott.

"Detta är ett fysikexperiment i stor skala gav en av de största upptäckterna i hela min 40-åriga karriär," beskriver Evan Skillman, University of Minnesota College of Science and Engineering Distinguished Professor vid School of Physics and Astronomy. "Det är ett grundläggande tal som berättar specifikt om universums tillstånd under dess första fem minuter. Den har diagnostisk kraft som talar direkt till Standardmodellen för fysik."

Big Bang-teorin visar hur universum expanderade från ett extremt högdensitets- och högtemperaturtillstånd för ungefär 13,8 miljarder år sedan. Teorin vilar på tre pelare: universums expansion, den kosmiska bakgrundsstrålning i form av mikrovågor och mängden lätta grundämnen som helium och deuterium. Den sista pelaren helium och deuterium  har inte studerats och mätts lika ingående som de två föregående pelarna.

För att nå denna precision gick teamet bort från traditionella extrapoleringsmetoder att uppskatta ett okänt värde genom att förlänga en trendlinje med kända data vilket kräver mätning av många galaxer och uppskattning av den initiala heliumnivån. Istället fokuserade de på 15 av de mest "orörda" små, avlägsna galaxer som någonsin upptäckts. Dessa galaxer är kemiskt outvecklade och fungerar som "tidskapslar", bevarade nästan exakt som de var strax efter Big Bang.

Med hjälp av avancerade spektrografer byggda vid Ohio State University analyserade forskarna mer än 10 heliumlinjer och 15 vätelinjer samtidigt. Detta gjorde att de kunde ta hänsyn till små systematiska effekter som tidigare ansågs försumbar men som blir avgörande när man siktar på noggrannhet under procent.

"MODS-spektrograferna tog 12 år att bygga från koncept till att analysera det första ljuset på himlen," beskriver Richard Pogge, professor i astronomi vid College of Arts and Sciences vid Ohio State University. "Det här är den typ av projekt vi designade dem för och att nu få leverera med dem är oerhört tillfredsställande. Det är inte varje dag man kan hjälpa till att bygga instrument som mäter något grundläggande om universum."

Den exakta mätningen bekräftar inte bara historien utan ger också en exakt bild av Standardmodellen för fysik. Genom att bestämma den exakta mängden helium kunde teamet beräkna antalet neutrinofamiljer de lättaste subatomära partiklarna som fanns i det tidiga universum.

"Vi lovade en halv procents osäkerhet i vårt förslag, och det kom vi igenom," tillade Skillman. "I vetenskapens oförutsägbara värld händer det inte särskilt ofta."

Förutom University of Minnesota Twin Cities och Ohio State University inkluderade teamet forskare från Gonzaga University, Northwestern University, University of Texas at Austin, Indiana University, University of California Santa Cruz, University of Illinois, Universidad Nacional Autónoma de México och TRIUMF.