北京
宇宙诞生后的头五分钟，留下了一份化学记录。氦这种轻元素，就是记录本身。一支国际团队把这份记录的读数精度往前推了一大步——他们估计早期氦丰度的不确定度降到了0.5%，只有此前水平的三分之一。
这项工作的观测数据来自大型双筒望远镜（Large Binocular Telescope），累计观测时长130小时，相关成果以五篇论文的形式发表在《天体物理学杂志》上。参与研究的机构包括明尼苏达大学双城分校的科学家。
为什么盯上这15个小星系
要读出宇宙最早期的成分，直接测量今天的星系并不好使。传统做法是测量大量星系，把数据里的趋势外推回一个估算的起点值——这种方法叫外推。它绕了一道弯。
这次团队换了个思路：挑出15个遥远的小星系，它们的化学演化程度极低，成分至今仍接近早期宇宙的样子。研究团队称，这是迄今发现的一些化学上最未演化的星系。盯住它们，等于绕开了外推这道弯，直接看到更接近原初的组成。
观测靠的是俄亥俄州立大学建造的MODS光谱仪。它把星系的光拆成不同波长，显出被称为谱线的特征，研究人员据此测量氦和氢。
“MODS光谱仪从概念到首次在天空中获得光线，花了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要做的那类项目，看到它们交付成果，非常令人满足。不是每天都有机会帮助建造测量宇宙基本问题的仪器。”
0.5%意味着什么
研究团队同时分析了10条以上氦谱线和15条氢谱线。放在一起看，是为了处理那些微小的系统性效应——这类影响会持续地把测量值推离真值。早先的工作把这些效应当作可以忽略。但当精度进入1%以内，它们就再也忽略不掉了。
“我们在项目申请里承诺了0.5%的不确定度，我们做到了，”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。“在不可预测的科学世界里，这种事不常发生。”
更精确的氦测量，强化了支持大爆炸理论的三大主要证据之一。大爆炸理论描述的是宇宙在大约138亿年前从一个极热、极密的状态开始膨胀。包括氦和氘（氢的一种形式）在内的轻元素丰度，为这段宇宙历史提供了一道校验。相比另外两大支柱——宇宙膨胀和宇宙微波背景辐射，氦此前受到的研究没那么充分。
这项测量还给物理学家提供了一条检验标准模型的路径。标准模型是描述基本粒子及其相互作用的框架。
“这是一场宏大尺度的物理实验，也是我整个40年职业生涯中最大的发现之一，”斯基尔曼说。“它是一个基本数字，具体告诉我们宇宙在头五分钟里的条件。它具有直接指向物理学标准模型的诊断能力。”
借助氦丰度，团队还能计算早期宇宙中存在的中微子家族数量。中微子是极轻的亚原子粒子。这一步把今天对星系的观测，和宇宙只有几分钟大时由哪些粒子构成的问题连了起来。
从130小时观测，到15个原始星系，再到0.5%这个数字——这条链条的每一环，都在把宇宙最初五分钟的读数拧得更紧一点。
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