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Wie viel Helium entstand in den ersten Minuten nach dem Urknall?
Wie viel Helium in den ersten Minuten nach dem Urknall entstand, ist ein empfindlicher Test für die Physik des frühen Universums. Ein internationales Team hat nun eine Messstrategie beschrieben, die systematische Fehler stärker begrenzen und einzelne Heliumbestimmungen auf etwa zwei Prozent Genauigkeit bringen soll. Damit soll die primordiale Heliumhäufigkeit schließlich mit rund 0,5 Prozent Unsicherheit bestimmt werden.
Minneapolis (U.S.A.). Das meiste Helium im Kosmos entstand nicht in Sternen, sondern während der primordialen Nukleosynthese kurz nach dem Urknall. Seine ursprüngliche Häufigkeit hängt unter anderem davon ab, wie schnell sich das junge Universum ausdehnte und wie viele relativistische Teilchen damals zur Energiedichte beitrugen. Eine präzise Messung kann deshalb das Standardmodell der Teilchenphysik prüfen und Spielraum für zusätzliche leichte Teilchen begrenzen.
Direkt beobachten lässt sich dieses frühe Helium nicht. Astronomen untersuchen stattdessen H-II-Regionen in metallarmen Galaxien, deren Gas vergleichsweise wenig durch frühere Sterngenerationen chemisch verändert wurde. Aus vielen Wasserstoff- und Heliumlinien lässt sich die heutige Heliumhäufigkeit bestimmen und auf den ursprünglichen Anteil zurückschließen. Genau hier setzen jedoch systematische Unsicherheiten bei Temperatur, Dichte, Staub, stellarer Absorption und der Kalibrierung der Spektren Grenzen.
In der neuen Arbeit beschreibt das Team das Beobachtungs- und Analysekonzept des LBT-Yp-Projekts. Dafür kombiniert es optische und nahinfrarote Spektren des Large Binocular Telescope (LBT) mit einer überarbeiteten Auswertung. Die Methode soll Heliumhäufigkeiten einzelner H-II-Regionen mit Unsicherheiten von ungefähr zwei Prozent oder weniger liefern. Zusätzlich nutzten die Forscher Standardstern-Beobachtungen aus vier Jahren, um wellenlängenabhängige Unsicherheiten der spektralen Empfindlichkeit genauer zu erfassen.
Besonders wichtig ist eine gezielt ausgewählte Stichprobe sehr metallarmer Galaxien. Der Ansatz soll die Abhängigkeit von einer weitreichenden Extrapolation der Heliumhäufigkeit auf eine hypothetische Metallizität von null verringern. Die Autoren streben damit für den primordialen Heliumanteil eine Unsicherheit von rund 0,5 Prozent an. Nach ihrer Abschätzung würde dies die Unsicherheit bei der daraus abgeleiteten Zahl der Neutrinofamilien von etwa 0,14 auf ungefähr 0,08 reduzieren.
„Das ist ein Physikexperiment im großen Maßstab und eine der bedeutendsten Entdeckungen meiner gesamten 40-jährigen Karriere. Es ist eine fundamentale Zahl, die uns konkret etwas über die Bedingungen in den ersten fünf Minuten unseres Universums sagt. Sie besitzt diagnostische Aussagekraft, die unmittelbar das Standardmodell der Physik betrifft“, sagt Prof. Evan D. Skillman von der University of Minnesota Twin Cities.
Die höhere Genauigkeit beruht nicht auf einem einzelnen neuen Messwert, sondern auf mehreren Schritten entlang derselben Messkette. Das Projekt erweitert die Zahl nutzbarer Wasserstoff- und Heliumlinien, bezieht die besonders dichteempfindliche Heliumlinie bei 10.830 Ångström ein und aktualisiert atomphysikalische Emissivitäten sowie Strahlungstransferkorrekturen. Dadurch sollen Parameter, die sich in älteren Datensätzen gegenseitig überlagerten, besser voneinander getrennt werden.
Die optischen Multi-Object Double Spectrographs (MODS) des LBT spielen dabei eine zentrale Rolle. Sie liefern einen breiten Wellenlängenbereich, in dem zahlreiche Linien gemeinsam ausgewertet werden können. Ergänzende Nahinfrarotdaten helfen vor allem bei der Elektronendichte, die für die Heliumanalyse entscheidend ist.
„Die MODS-Spektrografen brauchten zwölf Jahre von der Konzeption bis zum ersten Licht am Himmel. Für genau diese Art von Projekt haben wir sie entwickelt, und zu sehen, dass sie das leisten, ist enorm befriedigend. Es kommt nicht jeden Tag vor, dass man Instrumente mitbauen kann, die etwas Grundlegendes über unser Universum messen“, sagt Prof. Ri