O epocă cosmologică trecută cu vederea revine în prim-plan în înțelegerea universului
O etapă veche de doar douăzeci de minute din istoria universului, cunoscută sub numele de nucleosinteza din Big Bang, revine în atenția cercetătorilor ca instrument tot mai precis pentru studierea cosmosului timpuriu. Deși multă vreme a fost considerată depășită în comparație cu radiația cosmică de fond, această epocă oferă acum informații despre univers la un nivel de detaliu fără precedent.
La aproximativ zece minute după Big Bang, universul era încă dens și mai fierbinte decât Soarele, dar suficient de răcit pentru ca protonii și neutronii să fuzioneze în nuclee atomice. Protonii care găseau câte un neutron formau deuteriu, care putea captura apoi alte particule pentru a ajunge la heliu-3 sau, în final, la heliu-4, un nucleu deosebit de stabil format din doi protoni și doi neutroni.
Particularitatea acestui proces constă în faptul că numărul de neutroni scădea rapid. Nelegați în nuclee, neutronii sunt instabili și se transformă spontan în protoni în aproximativ cincisprezece minute. Când universul a devenit prea rece pentru ca fuziunea să continue, la doar douăzeci de minute după debutul procesului, aproape toți neutronii fie se transformaseră în protoni, fie fuseseră încorporați în heliu-4.
Cantitățile de heliu-4 și deuteriu formate în această perioadă, numite abundențe primordiale, pot fi măsurate astrofizic. O nouă măsurătoare a abundenței primordiale de heliu-4, publicată în septembrie 2026 în The Astrophysical Journal, a atins o precizie remarcabilă, oferind informații despre univers în timpul nucleosintezei la un nivel de detaliu necunoscut până acum.
Mecanismul care leagă aceste măsurători de proprietățile universului timpuriu este următorul: la câteva secunde după Big Bang, neutronii puteau absorbi particule ușoare și se puteau transforma în protoni, într-un proces distinct de dezintegrările de la finalul nucleosintezei. Cu cât universul rămânea mai mult dens și fierbinte, cu atât mai mulți neutroni se transformau în protoni înainte de începerea fuziunii.
Expansiunea universului, propulsată de radiații, adică de particule fierbinți cu mase foarte mici, determina cât de repede scădea densitatea. Cu cât expansiunea era mai rapidă, cu atât exista mai puțin timp pentru conversia neutronilor în protoni și, prin urmare, mai mulți neutroni erau disponibili la începutul nucleosintezei. Mai mulți neutroni la început înseamnă mai mult heliu-4 la final, ceea ce face ca abundența finală de heliu-4 să depindă direct de cantitatea de radiație din universul timpuriu.
Măsurând această abundență, cercetătorii pot deduce cantitatea precisă de radiație din universul timpuriu. Această informație este importantă și pentru fizicienii particulelor, care o pot folosi pentru a studia materia întunecată, substanța în mare parte invizibilă ce reprezintă aproximativ 80% din materia universului. Multe modele ale materiei întunecate sau ale altor fizici ipotetice prevăd cantități de radiație ușor mai mari sau mai mici decât cele anticipate de cosmologia standard, iar măsurătorile precise ajută la diferențierea acestor predicții de realitate.
În prezent, nucleosinteza din Big Bang determină cantitatea de radiație din universul timpuriu mai bine decât radiația cosmică de fond. Măsurătorile deuteriului primordial, realizate de-a lungul secolului XXI, oferă cosmologilor informații extrem de precise despre densitatea particulelor precum protonii și neutronii, precizia fiind comparabilă, deși nu încă superioară, celei oferite de radiația cosmică de fond.
Radiația cosmică de fond nu este însă gata să își cedeze complet rolul principal. Măsurători și mai precise ale principalelor necunoscute cosmologice sunt deja în curs, odată cu primele observații ale Observatorului Simons, un nou telescop de înaltă precizie dedicat radiației cosmice de fond. Totuși, nu există o cale clară pentru îmbunătățirea măsurătorilor după finalizarea acestui proiect, întrucât experimentul de generație următoare, CMB-S4, a fost suspendat pe termen nedeterminat în anul precedent.
Îmbunătățirea datelor privind nucleosinteza din Big Bang nu necesită observatoare dedicate. Este nevoie doar de mai mult timp de observație pe telescoapele existente sau planificate. Prin progresele pe termen scurt ale observațiilor astronomice, fizicienii ar putea ajunge mai aproape ca niciodată de înțelegerea compoziției universului și, implicit, a istoriei și viitorului acestuia.
