你能想象寻呼机回来了吗？当然，你的智能手机仍然是记事本-闪光灯-相机-个人助理-MP3播放器-钱包-社交媒体浏览器。但想象一下，如果寻呼机可以轻松地完成一件重要的事情（向您的朋友和同事发送 ping 信号），我们都会欢迎他们回到我们的生活或第一次欢迎他们。
在研究宇宙历史的宇宙学中，这样的救赎弧线就发生了。英雄——不是旧技术——是宇宙学历史上的一个时期，称为核合成大爆炸（BBN）。
一些宇宙学家认为，BBN 太老套了，无法像其他早期宇宙探测器那样成为宇宙学的好工具。但 BBN 是我研究项目的宠儿，我利用宇宙学来了解更多有关粒子物理学的知识。我亲眼目睹了这个旧宇宙学时代的最新成果如何指导我们对宇宙的新研究。
宇宙学智能手机
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。它是由冷热光斑组成的全天空马赛克，是电子和原子核结合形成第一个中性原子时产生的。从地球上看，任何热或冷的区域都小到足以阻挡月球。
宇宙微波背景的复杂模式已经成为多次密集观测活动的主题，这是有充分理由的。宇宙学的关键科学模型有六个关键的未知数，研究人员必须测量这些未知数才能了解宇宙。所有这些量都可以通过良好的 CMB 测量来推断。
但 CMB 的老牌、鲜为人知的表弟正开始抢走它的一些功劳。
音乐椅游戏
宇宙始于一声巨响——大爆炸——发生在历史上最大的音乐椅游戏之后大约 10 分钟。那时，宇宙的密度仍然比太阳还要高。但它已经冷却到足以使之前自由的质子和中子与原子核结合，形成原子的中心。
游戏开始了，每个质子都在寻找中子来融合。质子幸运地找到了氘中子伙伴。这对原子可以窃取另一个中子来制造氚，或者窃取另一个质子来制造氦 3。另一个质子或中子最终形成了 He-4，它有一个非常稳定的原子核，有两个质子和两个中子。
卡拉·乔瓦内蒂, CC-BY-SA
问题在于，宇宙中的中子数量在游戏过程中减少了，就像椅子被从线上拉下来一样。中子在没有束缚在原子核中时是不稳定的，并在大约15分钟内自发地吐出较轻的粒子，变成稍轻的质子。
当宇宙变得太冷而无法让这些粒子继续结合时，音乐就永远停止了。到那时——游戏刚开始 20 分钟——几乎所有中子要么变成了质子，要么变成了氦 4。任何没有幸运地交配的质子可能会保持单身数千年，甚至今天可能独自在宇宙中徘徊。
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在它结束时产生的氦 4 和氘的数量，称为原始丰度。
但 2026 年 9 月发布的对氦 4 原始丰度的新测量达到了惊人的精度，以前所未有的详细程度提供了 BBN 期间的宇宙信息。
一扇通向原始世界的窗户
大爆炸后仅几秒钟，中子就可以吸收较轻的粒子并变成质子，为 15 分钟后 BBN 结束时发生的衰变过程中的大爆炸核合成奠定了基础。只要宇宙非常致密和炎热，这种转变就可能发生。满足这个条件的时间越长，在BBN开始之前可以将更多的中子转化为质子。
但宇宙在大爆炸后迅速膨胀。宇宙的结构被辐射拉伸，其中“辐射”指的是小质量的热粒子。膨胀率——以及暗示的辐射量——决定了宇宙变得更加致密的速度。
在液体宇宙中，中子更难吸收粒子并转化为质子，因为它们距离都很远。宇宙膨胀得越快，中子转化为质子所需的时间就越少，因此 BBN 起始时会有更多的中子。音乐椅开始处有更多的中子意味着最后有更多的氦 4。
卡拉·乔瓦内蒂, CC-BY-SA
因此，辐射量决定了氦4的最终含量。通过测量这种丰度，我和我的同事正在努力找出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%。
暗物质或其他假设物理学的许多模型需要比标准宇宙学中假设的辐射略多或略少的辐射。测量这个量有助于粒子物理学家区分这一预测与现实。
展望未来
现在，BBN 比 CMB 更好地确定了早期宇宙的辐射量。而它的新动力并不仅限于氦4。整个 21 世纪对原始氘的测量为宇宙学家提供了质子和中子等粒子的密度，其精度令人难以置信。 BBN 确定该数量的准确性可与 CMB 相媲美，尽管目前还不是。
九巴还没有准备好放弃其重点。随着西蒙斯天文台（一种新型精密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。但一旦西蒙斯天文台建成，就没有明确的方法来改进测量，因为下一代 CMB-S4 实验在去年无限期暂停。
也许这是一个好时机，然后BBN就会卷土重来。获得更好的 BBN 数据并不需要特殊的天文台。相反，观测者只是需要更多时间在现有或计划中的望远镜上。随着天文观测的最新进展，物理学家可能比以往任何时候都更了解宇宙的构成，从而了解宇宙的历史和未来。
