Химики воссоздали первую молекулу Вселенной и решили загадку 13-миллиардной давности
Гидрид гелия (HeH⁺) — древнейшая молекула во Вселенной, образованная нейтральным атомом гелия и положительно заряженным ядром водорода. Ее появление положило начало цепочке реакций, приведших к возникновению молекулярного водорода (H₂) — самой распространенной молекулы в космосе.
Самая древняя молекула во Вселенной
После эпохи рекомбинации Вселенная вступила в «темные века». Хотя пространство стало прозрачным из-за связывания свободных электронов, светящихся объектов, таких как звезды, еще не существовало. Первые звезды появились лишь спустя сотни миллионов лет, пишет Science Daily.
В этот ранний период простые молекулы, включая HeH⁺ и H₂, играли ключевую роль в звездообразовании. Для коллапса газового облака в протозвезду и запуска термоядерных реакций требовалось охлаждение. Нагрев происходил за счет столкновений, возбуждавших атомы и молекулы, которые затем излучали энергию в виде фотонов.
Однако при температурах ниже 10 000°C этот механизм становился неэффективным для атомов водорода. Дальнейшее охлаждение обеспечивали молекулы, способные терять энергию через вращение и колебания. Благодаря сильному дипольному моменту, ион HeH⁺ особенно хорошо подходил для этого в условиях низких температур и давно рассматривался как важный фактор в формировании первых звезд. Таким образом, концентрация HeH⁺ могла сильно влиять на скорость звездообразования в молодой Вселенной. Как образовалась Вселенная: 6 теорий, которые это объясняют
В то время основным механизмом разрушения HeH⁺ были столкновения со свободными атомами водорода, приводящие к образованию нейтрального гелия и иона H₂⁺. Последний, реагируя с еще одним атомом водорода, превращался в молекулу H₂ и протон, способствуя накоплению молекулярного водорода.
Неожиданный эксперимент
Ученые из Института ядерной физики Макса Планка впервые воспроизвели эти процессы в лаборатории, моделируя условия ранней Вселенной. Они исследовали реакцию HeH⁺ с дейтерием (изотопом водорода с дополнительным нейтроном), в результате которой образовывался ион HD⁺ и нейтральный гелий.
Специалисты провели эксперимент на Криогенном накопительном кольце — уникальной установке, позволяющей изучать молекулярные реакции в условиях, близких к космическим. Ионы HeH⁺ удерживались в 35-метровом кольце при температуре несколько кельвинов (–267°C) и сталкивались с пучком атомов дейтерия. Изменяя скорость частиц, исследователи анализировали зависимость реакции от энергии столкновения, что напрямую связано с температурой.
Результаты оказались неожиданными: в отличие от предсказаний предыдущих моделей, скорость реакции не снижалась при охлаждении, оставаясь практически постоянной. «Ранние теории предполагали резкое падение вероятности реакции при низких температурах, но наши эксперименты и новые расчеты этого не подтвердили», — поясняет доктор Хольгер Крэчел. Похоже, роль HeH⁺ в химии ранней Вселенной могла быть гораздо важнее, чем считалось. Так как концентрации HeH⁺ и молекулярного водорода (H₂ или HD) критически влияли на образование первых звезд, это открытие приближает нас к пониманию их возникновения.
