你能猜一下寻呼机是否会回来吗？当然，你的智能手机仍然是你的记事本-手电筒-相机-个人助理-MP3播放器-钱包-社交媒体浏览器。然而，当寻呼机执行一项重要工作（向您的朋友和同事发送 ping 信号）时，想象一下我们都已将他们带回我们的生活或第一次收养他们。
类似的救赎之弧正在宇宙学（研究宇宙历史的学科）中发生。英雄——而不是旧技术——是被称为大爆炸核合成（BBN）的宇宙历史时代。
一些宇宙学家认为 BBN 太老套了，它与任何其他早期宇宙探测器一样都是很好的宇宙学工具。但 BBN 对我的研究项目很重要，我利用宇宙学来了解更多有关粒子物理学的知识。我亲眼目睹了这个古老的宇宙学时代的最新发现如何指导我们对宇宙的新发现。
宇宙学的智能手机
宇宙学的超级明星是宇宙微波背景（CMB），它在大爆炸后约 40 万年形成。这是电子和原子核首次以中性原子形式结合在一起时出现的全天空马赛克，由冷热光斑组成。从地球上看，每个热区或冷区都小到足以被月球阻挡。
CMB 的复杂模型一直是许多密集观测活动的主题，这是有充分理由的。宇宙学的一个关键科学模型由六个主要的未知量组成，研究人员必须测量这些量才能了解宇宙。所有这些量都可以通过 CMB 的良好测量来推断。
但 CMB 的老得多、名气不大的表弟却开始抢走它的风头。
音乐椅游戏
宇宙以一声巨响开始——大爆炸——大约10分钟后，历史上最大的音乐椅游戏开始了。那时，宇宙仍然比太阳更稠密、更热。但在过去，自由转动的质子和中子已经冷却到足以融合成原子核，即原子的中心。
游戏开始，每个质子寻找中子。一个质子幸运地找到了中子伙伴，形成了氘。这对夫妇可以抓住另一个中子来制造氚，或者抓住另一个质子来制造氦3。另一个质子或中子最终各自产生了 He-4，它有一个异常稳定的原子核，有两个质子和两个中子。
卡拉·乔瓦内蒂, CC-BY-SA
问题是，在游戏过程中，宇宙中的中子数量急剧下降，就像椅子被拉出线一样。中子在未束缚在原子核中时不稳定，会在 15 分钟内自发地吐出较轻的粒子，变成稍轻的质子。
当宇宙变得太冷时，这些粒子无法再继续融合，音乐就会停止。到那时——比赛开始后 20 分钟——几乎所有中子要么变成质子，要么最终变成氦 4。任何没有幸运地拥有伴侣的质子可能会被孤立数千年，并且今天将在宇宙中独自徘徊。
这个过程称为大爆炸核合成。天体物理学家实际上可以测量最终形成的氦 4 和氘的数量，称为原始丰度。
但 2026 年 9 月发布的对原始氦 4 丰度的新测量达到了惊人的精度，在 BBN 期间提供了前所未有的宇宙信息。
进入早期宇宙的窗口
大爆炸后几秒钟，中子可以吸收较轻的粒子并变成质子，为大爆炸核合成奠定基础，这与 15 分钟后 BBN 结束时的衰变形成鲜明对比。只要宇宙非常致密且炎热，这种交换就会发生。满足该条件的时间越长，在 BBN 开始之前可以转化为质子的中子就越多。
但宇宙在大爆炸后迅速膨胀。宇宙结构的拉伸是由辐射引起的，其中“辐射”指的是质量较小的热粒子。膨胀率——以及辐射量——决定了宇宙密度降低的速度。
由于每个人都相距很远，因此中子很难在稀薄的宇宙中吸收粒子并将其转化为质子。宇宙膨胀得越快，中子转化为质子的时间就越短，并且启动 BBN 的中子就越多。音乐椅开始处有更多的中子意味着结束处有更多的氦 4。
卡拉·乔瓦内蒂, CC-BY-SA
所以辐射量决定了最终的氦4丰度。通过测量这种丰度，我和我的同事们逆向寻找早期宇宙中辐射的确切数量。
这是一个需要测量的重要量。除其他原因外，粒子物理学家可以利用它来更多地了解暗物质，暗物质是一种基本上不可见的物质，占宇宙物质的 80%。
许多暗物质模型或其他假设物理学模型需要的辐射比标准宇宙学中预期的辐射略多或略少。准确测量这个量有助于粒子物理学家区分这些预测与事实。
我在等待
现在，BBN 比 CMB 更好地确定了早期宇宙的辐射量。它的新能力并不仅仅停留在 Helium-4 上。整个 21 世纪对原始氘的测量可以非常精确地告诉宇宙学家质子和中子等粒子的密度。 BBN 确定这些规模竞争对手的准确度尚未超过 CMB。
CMB 尚未准备好放弃其聚光灯。随着西蒙斯天文台——新型高精度宇宙微波背景望远镜——进行首次观测，对宇宙学中所有主要未知因素的更精确测量已经开始。西蒙斯天文台完成数据采集后，并没有明确的途径来进行更好的测量，因为下一代实验 CMB-S4 去年被无限期暂停。
现在可能是 BBN 回归的好时机。不需要特殊的观测站即可获得更好的 BBN 数据。相反，观测者只需要更多时间在现有或计划中的望远镜上。随着天文观测的近期改进，物理学家可能比以往任何时候都更了解宇宙的构成、历史和未来。
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