Ученые воссоздали первую химическую реакцию во Вселенной: что происходило 13,8 млрд лет назад

Ученым удалось воссоздать ключевые химические реакции, которые происходили в самые ранние моменты существования Вселенной. Они получили удивительные результаты, которые помогут понять, как возникли первые звезды. Исследование опубликовано в журнале Astronomy & Astrophysics, пишет SciTechDaily.

У Фокус. Технологии появился свой Telegram-канал. Подписывайтесь, чтобы не пропускать самые свежие и захватывающие новости из мира науки!

Что происходило в первые секунды после Большого взрыва?

В первые мгновения после Большого взрыва, произошедшего 13,8 млрд лет назад, Вселенная была очень плотным и горячим местом. Всего за несколько секунд Вселенная немного остыла, что позволило субатомным частицам объединиться и создать первые химические элементы — водород и гелий. В то время электроны еще не были связаны с ядрами атомов. Только через 380 000 лет Вселенная остыла настолько, что это позволило появиться нейтральным атомам. Этот процесс, известный как рекомбинация, позволил электронам присоединиться к ядрам атомов, что стало основой для первых химических реакций.

Одной из самых первых химических реакций было образование иона гидрида гелия (HeH+), который считается первой молекулой в истории Вселенной. Эта молекула была создана, когда нейтральный атом гелия соединился с положительно заряженным ядром атома водорода. Образование молекулы запустило химические реакции, которые привели к появлению молекулярного водорода (H2), самой распространенной молекулы во Вселенной.

После рекомбинации во Вселенной наступил период, известный как космические темные века. В это время космос стал прозрачным, поскольку свободные электроны теперь были связаны с атомами, но звезды и другие источники света еще не появились. Только через несколько сотен миллионов лет первые звезды осветили космос.

Создание первых звезд во Вселенной

На раннем этапе существования Вселенной простые молекулы, такие как HeH+ и H2, сыграли решающую роль в образовании первых звезд. Для того чтобы газовое облако сжалось достаточно сильно под действием гравитации, чтобы произошел запуск термоядерного синтеза в ядре будущей звезды, необходимо рассеивание тепла. Оно происходит с помощью столкновений, возбуждающих атомы и молекулы, которые затем испускают энергию в виде фотонов. Но при температуре ниже примерно 10 000 градусов Цельсия этот процесс становится неэффективным из-за преобладающих атомов водорода.

Дальнейшее охлаждение может происходить только за счет молекул, способных выпускать дополнительную энергию с помощью вращения и вибрации. Благодаря своему дипольному моменту, ион HeH+ особенно эффективен при таких низких температурах и долгое время считался потенциально важным кандидатом на роль охлаждающего вещества при формировании первых звезд. Значит концентрация ионов гидрида гелия во Вселенной может существенно влиять на эффективность появления первых звезд.

В этот период столкновения со свободными атомами водорода были основным путем распада HeH+, образуя нейтральный атом гелия и ион H2+. Затем они вступали в реакцию с другим атомом водорода, образуя нейтральную молекулу Н2 и протон, что привело к образованию молекулярного водорода.

Ученые воспроизвели первую химическую реакцию во Вселенной

Теперь же ученые впервые успешно воспроизвели эту химическую реакцию в условиях, близких к условиям ранней Вселенной. Они изучили реакцию HeH+ с дейтерием, изотопом водорода, содержащим в ядре атома вместе с протоном дополнительный нейтрон. При реакции HeH+ с дейтерием вместо H2+ наряду с нейтральным атомом гелия образуется ион HD+.

Ученые смогли изучить, как частота столкновений меняется в зависимости от энергии столкновения, которая напрямую связана с температурой. Они обнаружили, что, вопреки существующим предположениям, скорость этой реакции не замедляется со снижением температуры, а остается практически постоянной.

Авторы исследования говорят, что ранее предсказывалось значительное снижение вероятности химической реакции при низких температурах, но ученым не удалось подтвердить это. Таким образом, реакции HeH+ с нейтральным водородом и дейтерием имели гораздо большее значение для химии ранней Вселенной, чем предполагалось ранее.

Как уже писал Фокус, на Плутоне обнаружены ледяные "небоскребы" высотой 300 метров. Ученые считают, что огромные похожие на шпили структуры из метанового льда более распространены вдоль экватора Плутона, чем предполагалось.