Учені відтворили першу хімічну реакцію у Всесвіті: що відбувалося 13,8 млрд років тому

Ученим вдалося відтворити ключові хімічні реакції, які відбувалися в найбільш ранні моменти існування Всесвіту. Вони отримали дивовижні результати, які допоможуть зрозуміти, як виникли перші зірки. Дослідження опубліковано в журналі Astronomy & Astrophysics, пише SciTechDaily.

У Фокус. Технології з'явився свій Telegram-канал. Підписуйтесь, щоб не пропускати найсвіжіші та найзахопливіші новини зі світу науки!

Що відбувалося в перші секунди після Великого вибуху?

У перші миті після Великого вибуху, що стався 13,8 млрд років тому, Всесвіт був дуже щільним і гарячим місцем. Усього за кілька секунд Всесвіт трохи охолов, що дало змогу субатомним частинкам об'єднатися і створити перші хімічні елементи — водень і гелій. У той час електрони ще не були пов'язані з ядрами атомів. Лише через 380 000 років Всесвіт охолонув настільки, що це дозволило з'явитися нейтральним атомам. Цей процес, відомий як рекомбінація, дозволив електронам приєднатися до ядер атомів, що стало основою для перших хімічних реакцій.

Однією з найперших хімічних реакцій було утворення іона гідриду гелію (HeH+), який вважається першою молекулою в історії Всесвіту. Ця молекула була створена, коли нейтральний атом гелію з'єднався з позитивно зарядженим ядром атома водню. Утворення молекули запустило хімічні реакції, які призвели до появи молекулярного водню (H2), найпоширенішої молекули у Всесвіті.

Після рекомбінації у Всесвіті настав період, відомий як космічні темні віки. У цей час космос став прозорим, оскільки вільні електрони тепер були пов'язані з атомами, але зірки та інші джерела світла ще не з'явилися. Тільки через кілька сотень мільйонів років перші зірки освітили космос.

Створення перших зірок у Всесвіті

На ранньому етапі існування Всесвіту прості молекули, такі як HeH+ і H2, зіграли вирішальну роль в утворенні перших зірок. Для того щоб газова хмара стиснулася досить сильно під дією гравітації, щоб стався запуск термоядерного синтезу в ядрі майбутньої зірки, необхідне розсіювання тепла. Воно відбувається за допомогою зіткнень, що збуджують атоми і молекули, які потім випускають енергію у вигляді фотонів. Але за температури нижче приблизно 10 000 градусів Цельсія цей процес стає неефективним через переважання атомів водню.

Подальше охолодження може відбуватися тільки за рахунок молекул, здатних випускати додаткову енергію за допомогою обертання і вібрації. Завдяки своєму дипольному моменту, іон HeH+ особливо ефективний за таких низьких температур і довгий час вважався потенційно важливим кандидатом на роль охолоджувальної речовини при формуванні перших зірок. Отже, концентрація іонів гідриду гелію у Всесвіті може істотно впливати на ефективність появи перших зірок.

У цей період зіткнення з вільними атомами водню були основним шляхом розпаду HeH+, утворюючи нейтральний атом гелію та іон H2+. Потім вони вступали в реакцію з іншим атомом водню, утворюючи нейтральну молекулу Н2 і протон, що призвело до утворення молекулярного водню.

Учені відтворили першу хімічну реакцію у Всесвіті

Тепер же вчені вперше успішно відтворили цю хімічну реакцію в умовах, близьких до умов раннього Всесвіту. Вони вивчили реакцію HeH+ з дейтерієм, ізотопом водню, що містить у ядрі атома разом із протоном додатковий нейтрон. Під час реакції HeH+ з дейтерієм замість H2+ поряд із нейтральним атомом гелію утворюється іон HD+.

Вчені змогли вивчити, як частота зіткнень змінюється залежно від енергії зіткнення, яка безпосередньо пов'язана з температурою. Вони виявили, що, всупереч існуючим припущенням, швидкість цієї реакції не сповільнюється зі зниженням температури, а залишається практично постійною.

Автори дослідження кажуть, що раніше передбачалося значне зниження ймовірності хімічної реакції за низьких температур, але вченим не вдалося підтвердити це. Таким чином, реакції HeH+ з нейтральним воднем і дейтерієм мали набагато більше значення для хімії раннього Всесвіту, ніж передбачалося раніше.

Як уже писав Фокус, на Плутоні виявлено крижані "хмарочоси" висотою 300 метрів. Вчені вважають, що величезні схожі на шпилі структури з метанового льоду більш поширені вздовж екватора Плутона, ніж передбачалося.