近日，在一项发表于《天体物理学杂志》（The Astrophysical Journal）的五篇系列论文中，天文学家公布了关于宇宙最初五分钟演化史的全新重大发现。该研究基于大双筒望远镜（Large Binocular Telescope）长达 130 小时的观测数据，通过对遥远星系的深入分析，将这一基础测量的误差降至仅 0.5%，其精确度达到了以往估计的三倍。
这一大幅提升的测量精度为科学界探索宇宙起源以及检验现代物理学标准模型提供了一个强有力的新工具。这类基础性的科学检验在推动科学认知和促进技术突破方面有着悠久的历史传承。
明尼苏达大学科学与工程学院物理与天文学系杰出教授埃文·斯基尔曼（Evan Skillman）表示：“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。这是一个能够具体告诉我们宇宙前五分钟状况的基础数字，它具有直接回应物理学标准模型的诊断能力。”
为什么氦元素蕴含着大爆炸的线索
根据大爆炸理论，我们的宇宙大约在 138 亿年前从一个极其炽热、高密度的状态开始膨胀。支撑这一理论的三大主要证据包括：宇宙的持续膨胀、宇宙微波背景辐射，以及在宇宙极早期形成的轻元素（如氦和氘）的数量。
尽管宇宙膨胀和微波背景辐射已经得到了广泛且深入的研究，但历史上对原初氦测量的关注度相对较少。更准确地测定其原始丰度，能让研究人员深入探究宇宙仅诞生几分钟时的物理条件。
为了达到这一全新的精度水平，研究团队打破了估计原初氦丰度的传统方法。传统方法通常需要观测大量的星系，并通过外推法来推算在后代恒星改变其化学成分之前究竟存在多少氦。
与之不同，研究人员精心挑选了 15 个异常原始、小型且遥远的星系。这些星系经历了相对较少的化学演化，成为了解宇宙早期成分的宝贵“时间胶囊”。
强大望远镜带来创纪录的精确度
研究团队使用了由俄亥俄州立大学开发的先进光谱仪，同时检查了 10 多条氦光谱线和 15 条氢光谱线。通过将这些信号结合起来研究，他们得以识别并纠正了早期研究在很大程度上可能忽略的微妙测量误差来源。
当研究人员试图将不确定性降低到 1% 以下时，这些微小的效应就显得尤为重要。将这些因素考虑在内，是实现全新 0.5% 精度的关键所在。
俄亥俄州立大学艺术与科学学院天文学杰出教授理查德·波吉（Richard Pogge）指出：“MODS 光谱仪从构思到在太空中实现‘初光’花费了 12 年时间。这就是我们设计它们去完成的项目，看到它们发挥作用令人感到无比满足。并不是每天都能有机会协助打造出能够测量宇宙某种基本属性的仪器。”
检验基础物理定律
除了完善对宇宙最早化学成分的估计之外，这项新的测量还为物理学标准模型提供了一项重要的检验。大爆炸后不久产生的氦气量取决于当时的物理条件，包括存在的亚原子粒子类型。
利用精确的氦测量数据，研究人员得以计算出早期宇宙中的中微子家族数量。中微子是非常轻的亚原子粒子，其行为在科学界对基础物理学的理解中扮演着重要角色。
因此，这些研究结果不仅增强了现有的宇宙大爆炸证据，还提供了一种更精确的方法来检验既定物理理论是否准确描述了宇宙最初的几分钟。
斯基尔曼补充道：“我们在项目提案中承诺了百分之零点五的不确定性，而我们最终做到了。在充满不确定性的科学世界里，这种情况并不常见。”
这项国际合作汇聚了来自明尼苏达大学双城分校、俄亥俄州立大学、贡扎加大学、西北大学、德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以及 TRIUMF 的顶尖科学家。