Учёные воссоздали первую молекулу Вселенной и разгадали 13-миллиардную загадку

Схема реакции и энергетический уровень исследуемой реакции иона гидрида гелия с дейтерием. Это быстрая и беспрепятственная реакция, вопреки более 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 настолько, что начали формироваться первые элементы — в основном водород и гелий. Они всё ещё оставались полностью ионизированными, так как потребовалось почти 380 000 лет, чтобы температура во Вселенной снизилась достаточно для образования нейтральных атомов 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), который является самой распространённой молекулой во Вселенной.

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

В этот ранний период простые молекулы, такие как HeH⁺ и H₂, играли ключевую роль в формировании первых звёзд. Чтобы газовое облако протозвезды могло сжаться до состояния, при котором начинается ядерный синтез, тепло должно рассеиваться. Это происходит через столкновения, возбуждающие атомы и молекулы, которые затем излучают энергию в виде фотонов. Однако при температурах ниже примерно 10 000 °C 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 таких низких температурах и долгое время считался важным кандидатом для охлаждения в процессе формирования первых звёзд. Таким образом, концентрация гидрида гелия во Вселенной могла значительно влиять на эффективность раннего звёздообразования.

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

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

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

Они обнаружили, 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», — добавляет он.

Это наблюдение согласуется с выводами группы теоретических физиков под руководством Йохана Скрибано, обнаруживших ошибку в расчёте потенциальной поверхности, использовавшейся во всех предыдущих вычислениях этой реакции. 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 возникновения.

Источники: sciencedaily.com, Max-Planck-Institut für Kernphysik