Химия в начале времён: как молекулярные реакции повлияли на формирование первых звёзд

Схема реакции и энергетический уровень исследуемой реакции иона гидрида гелия с дейтерием. Это быстрая реакция без энергетического барьера, вопреки ранним теориям. Фон: планетарная туманность NGC 7027, где молекулярный водород виден в красном цвете. Авторы: Схема: MPIK; Фоновое изображение: W. B. Latter (SIRTF Science Center/Caltech) и NASA

Сразу после Большого взрыва, произошедшего около 13,8 миллиардов лет назад, Вселенная была заполнена невообразимо высокими температурами и плотностями. Однако уже через несколько секунд она остыла достаточно для образования первых элементов — в основном водорода и гелия. Эти элементы оставались полностью ионизированными, так как потребовалось почти 380 000 лет, чтобы температура во Вселенной снизилась настолько, что нейтральные атомы смогли образоваться через рекомбинацию со свободными электронами. Это открыло путь первым химическим реакциям.

Самой древней молекулой является ион гидрида гелия (HeH⁺), образованный из нейтрального атома гелия и ионизированного ядра водорода. Это стало началом цепной реакции, ведущей к формированию молекулярного водорода (H₂) — самой распространённой молекулы во Вселенной.

После рекомбинации наступил «тёмный век» космологии: хотя Вселенная стала прозрачной из-за связывания свободных электронов, светящихся объектов, таких как звёзды, ещё не существовало. Прошло несколько сотен миллионов лет, прежде чем сформировались первые звёзды.

В эту раннюю эпоху простые молекулы, такие как HeH⁺ и H₂, играли ключевую роль в образовании первых звёзд. Чтобы сжимающееся газовое облако протозвезды могло коллапсировать до точки, где начинается ядерный синтез, необходимо отводить тепло. Это происходит через столкновения, возбуждающие атомы и молекулы, которые затем излучают энергию в виде фотонов.

Однако при температурах ниже примерно 10 000 градусов Цельсия этот процесс становится неэффективным для доминирующих атомов водорода. Дальнейшее охлаждение возможно только через молекулы, способные излучать дополнительную энергию за счёт вращения и колебаний.

Благодаря выраженному дипольному моменту ион HeH⁺ особенно эффективен при низких температурах и долгое время считался важным кандидатом для охлаждения в процессе формирования первых звёзд. Таким образом, концентрация ионов гидрида гелия во Вселенной могла существенно влиять на эффективность раннего звёздообразования.

В этот период столкновения со свободными атомами водорода были основным механизмом разрушения HeH⁺, приводя к образованию нейтрального атома гелия и иона H₂⁺. Последние затем реагировали с другим атомом водорода, формируя нейтральную молекулу H₂ и протон, что способствовало образованию молекулярного водорода.

Исследователи из Института ядерной физики Макса Планка (MPIK) в Гейдельберге впервые успешно воссоздали эту реакцию в условиях, близких к ранней Вселенной. Они изучили реакцию HeH⁺ с дейтерием — изотопом водорода, содержащим дополнительный нейтрон в ядре. При реакции HeH⁺ с дейтерием вместо иона H₂⁺ образуется ион HD⁺ и нейтральный атом гелия.

Исследование опубликовано в журнале Astronomy & Astrophysics.

Эксперимент проводился на Криогенном накопительном кольце (CSR) в MPIK — уникальном инструменте для изучения молекулярных и атомных реакций в условиях, приближенных к космическим. Ионы HeH⁺ хранились в 35-метровом кольце при температуре несколько кельвинов (-267 °C) до 60 секунд и сталкивались с пучком нейтральных атомов дейтерия. Учёные варьировали относительные скорости частиц, чтобы изучить, как скорость реакции зависит от энергии столкновения, что напрямую связано с температурой.

Оказалось, что вопреки ранним прогнозам, скорость реакции не замедляется с понижением температуры, а остаётся почти постоянной. «Предыдущие теории предсказывали значительное снижение вероятности реакции при низких температурах, но мы не смогли подтвердить это ни в эксперименте, ни в новых теоретических расчётах наших коллег», — объясняет доктор Хольгер Креккель из MPIK. «Реакции HeH⁺ с нейтральным водородом и дейтерием, по-видимому, играли гораздо более важную роль в химии ранней Вселенной, чем предполагалось ранее».

Это наблюдение согласуется с выводами группы теоретических физиков под руководством Йохана Скрибано, обнаруживших ошибку в расчёте потенциальной поверхности, использовавшейся во всех предыдущих моделях. Новые расчёты с улучшенной потенциальной поверхностью теперь хорошо согласуются с экспериментальными данными CSR.

Поскольку концентрации молекул, таких как HeH⁺ и молекулярный водород (H₂ или HD), играли важную роль в формировании первых звёзд, это открытие приближает нас к разгадке тайны их образования.

Больше информации: F. Grussie et al, Experimental confirmation of barrierless reactions between HeH⁺ and deuterium atoms suggests a lower abundance of the first molecules at very high redshifts, Astronomy & Astrophysics (2025). DOI: 10.1051/0004-6361/202555316

Источник: Общество Макса Планка