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Galaktische Archäologie präzisiert den Heliumanteil aus der Frühzeit des Kosmos
Kosmisches Fossil: Eine neue Messung bestimmt den Anteil von Helium-4 aus den ersten Minuten nach dem Urknall mit nur noch 0,5 Prozent relativer Unsicherheit. Grundlage sind besonders metallarme H-II-Regionen. Der Wert stimmt mit der Vorhersage der Standard-Urknallnukleosynthese überein und schärft Tests der Physik im jungen Kosmos.
Minneapolis (U.S.A.). In den ersten Minuten nach dem Urknall verschmolzen Protonen und Neutronen zu den leichtesten Atomkernen. Dabei entstand fast das gesamte Helium-4, das schon vor den ersten Sternen im Kosmos vorhanden war. Seine ursprüngliche Häufigkeit ist deshalb ein empfindliches Archiv der Bedingungen im sehr jungen Universum.
Das Problem: Spätere Sterngenerationen haben zusätzlich Helium erzeugt und die chemische Zusammensetzung von Galaxien verändert. Das LBT-Yp-Projekt sucht deshalb besonders metallarme H-II-Regionen, also ionisierte Gaswolken mit nur geringen Spuren schwererer Elemente. Je ursprünglicher ihr Gas ist, desto direkter lässt sich daraus der primordiale Heliumanteil ableiten.
Forscher der Gonzaga University um Prof. Erik Aver haben nun 54 solcher H-II-Regionen mit neuen, einheitlich ausgewerteten Beobachtungen untersucht. Sie kombinierten optische und nahinfrarote Spektren des Large Binocular Telescope (LBT) und modellierten dabei zahlreiche Wasserstoff- und Heliumlinien gleichzeitig. Aktualisierte Atomdaten und eine detaillierte Behandlung möglicher systematischer Effekte sollten verhindern, dass kleine Verzerrungen den Heliumwert verschieben.
Von den 54 Beobachtungen bestanden 47 den statistischen Anpassungstest der Studie. Sechs davon markierte das Team zusätzlich wegen möglicher systematischer Verzerrungen, sodass 41 qualifizierte Datensätze übrig blieben. Für die eigentliche Bestimmung des primordialen Heliums konzentrierten sich die Forscher auf die 15 metallärmsten H-II-Regionen mit einem Sauerstoff-zu-Wasserstoff-Verhältnis unter 4 mal 10 hoch minus 5.
„Die Bedeutung galaktischer Archäologie kann gar nicht hoch genug eingeschätzt werden“, sagt Miqaela Weller von The Ohio State University (OSU).
Der entscheidende Vorteil dieser Auswahl liegt in der sehr geringen chemischen Entwicklung. Bei den 15 Objekten ist eine gewichtete Mittelung des Heliumanteils nach Ansicht des Teams erstmals gut begründet. Damit entfällt die stärkere Abhängigkeit von einer linearen Extrapolation auf völlig metallfreies Gas, die frühere Bestimmungen empfindlicher für die angenommene chemische Entwicklung machte.
Aus den 15 besonders metallarmen Regionen ergibt sich eine primordiale Helium-Massenfraktion von Yp = 0,2458 ± 0,0013. Das entspricht knapp 24,6 Prozent und einer relativen Unsicherheit von 0,5 Prozent. Damit erreicht das Projekt sein angestrebtes Präzisionsniveau und verbessert die Unsicherheit gegenüber früheren Bestimmungen deutlich.
Die Forscher prüften zugleich, wie empfindlich das Ergebnis auf die Auswahl der Metallizität reagiert. Wird die Grenze verdoppelt, sodass 33 H-II-Regionen eingehen, ergibt sich Yp = 0,2464 ± 0,0013. Der Zentralwert bleibt damit nahezu unverändert, doch die größere Stichprobe zeigt mehr Streuung. Deshalb wählen die Autoren für ihr Hauptergebnis konservativ die 15 metallärmsten Objekte.
„Wir hatten in unserem Antrag eine Unsicherheit von einem halben Prozent versprochen, und wir haben sie erreicht. In der unberechenbaren Welt der Wissenschaft kommt das nicht sehr oft vor“, sagt Evan Skillman von der University of Minnesota Twin Cities.