Das Universum begann vor etwa 13,8 Milliarden Jahren aus einem sehr heißen und dichten Zustand zu expandieren. In den ersten Minuten waren die Bedingungen so, dass Kerne leichter Elemente wie Helium gebildet wurden. Nun haben Forscher durch die Untersuchung von 15 entfernten Galaxien, die eine relativ unveränderte chemische Zusammensetzung aufweisen, die Häufigkeit von primordialem Helium mit beispielloser Genauigkeit messen können.
Herausforderungen bei der Untersuchung des frühen Universums
Eine der Schwierigkeiten bei der Untersuchung des frühen Universums besteht darin, dass Sterne und deren nachfolgende Generationen über Milliarden von Jahren die chemische Zusammensetzung der Galaxien verändert haben. Aus diesem Grund erfordert die Messung der ursprünglichen Häufigkeit von Elementen Methoden, die diese späteren Veränderungen so weit wie möglich berücksichtigen.
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In dieser Studie wählten die Forscher anstelle von großen und vielfältigen Proben von Galaxien 15 kleine und entfernte Galaxien aus, die chemisch relativ unverändert geblieben sind. Diese Galaxien fungieren aufgrund der Erhaltung von Hinweisen auf die ursprüngliche chemische Zusammensetzung wie kosmische Zeitkapseln.
Überraschende Ergebnisse
Für diese Untersuchung verwendete die Forschungsgruppe das Large Binocular Telescope und sammelte insgesamt 130 Stunden Beobachtungsdaten. Die Wissenschaftler konnten durch gleichzeitige Untersuchung von mehr als 10 Helium-Spektrallinien und 15 Wasserstoff-Spektrallinien einige der Fehlerquellen identifizieren und korrigieren, die in früheren Messungen weniger Beachtung fanden.
Das Ergebnis war, dass die Unsicherheit bei der Messung der Häufigkeit von primordialem Helium auf etwa 0,5 Prozent gesenkt wurde; das ist fast dreimal so genau wie frühere Schätzungen. Die Ergebnisse dieser Studie wurden in Form von fünf Artikeln in der wissenschaftlichen Zeitschrift The Astrophysical Journal veröffentlicht.
Helium ist einer der wichtigsten Hinweise zur Rekonstruktion der Bedingungen des Universums in den ersten Minuten nach dem Urknall. Die Menge an Helium, die in dieser Zeit gebildet wurde, hing von den physikalischen Bedingungen des frühen Universums und den Eigenschaften der fundamentalen Teilchen ab. Daher liefert die präzise Messung dieses Elements nicht nur Informationen über die chemische Zusammensetzung des Universums; sie stellt auch einen Weg dar, um physikalische Modelle zu untersuchen, die mit dem Beginn der kosmischen Evolution in Zusammenhang stehen.
Die Forscher konnten mit den neuen Messungen die Anzahl der Neutrino-Familien im Rahmen der untersuchten Modelle berechnen. Neutrinos sind sehr leichte fundamentale Teilchen, die eine Rolle in der Evolution des frühen Universums spielen.
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