Вчені відтворили першу хімічну реакцію у Всесвіті

Німецькі дослідники з Інституту ядерної фізики Товариства Макса Планка у Гейдельберзі відтворили першу хімічну реакцію у Всесвіті, яка відбулась після Великого вибуху, близько 13,8 млрд років тому. 

Одразу після Великого вибуху Всесвіт являв собою щільний, вируючий простір екстремально високої температури. Однак вже за кілька секунд Всесвіт почав охолоджуватись настільки швидко, що перші атомні частинки змогли об’єднатись та утворити перші найлегші елементи — водень та гелій.

На той момент ці елементи були повністю іонізовані, тобто, їхні електрони ще не були пов’язані з ядрами. Знадобилось ще 380 тис. років, перш ніж Всесвіт остаточно охолов для утворення нейтральних атомів. Цей процес отримав назву рекомбінації, дозволивши електронам об’єднатись з ядрами, утворивши стабільні атоми для подальших перших хімічних взаємодій.

Однією з перших подібних хімічних взаємодій стало утворення іона гідриду гелію (HeH+), який вважається першою молекулою у Всесвіті. Ця молекула утворилася при поєднанні нейтрального атома гелію з позитивно зарядженим ядром водню.

Її утворення поклало початок низці реакцій, які, врешті-решт, призвели до утворення молекулярного водню (H₂). На сьогодняшній день, це найпоширеніша молекула у Всесвіті.

Після завершення рекомбінації Всесвіт занурився у пітьму. Космічний простір став прозорим, оскільки вільні електрони вже були пов’язані з атомами, а зірки та інші джерела світла ще не утворились. Пройшло кілька сотень мільйонів років, перш ніж перші зірки висвітлили космос.

На цій ранній стадії розвитку Всесвіту прості молекули, як HeH⁺ та H₂ відіграли ключову роль у формуванні перших зірок. Для того, аби газова хмара протозірки стиснулась до розмірів точки і почався процес ядерного синтезу, тепло має розсіюватись. Це відбувається за рахунок зіткнень, які збуджують атоми та молекули, і ті починають випромінювати енергію у вигляді фотонів. Проте за температури нижче приблизно 10 тис.°С цей процес стає неефективним для переважаючих атомів водню.

Подальше охолодження стає можливим лише за рахунок молекул, здатних випромінювати додаткову енергію за рахунок обертання або вібрації. Завдяки вираженому дипольному моменту іон HeH⁺ особливо ефективний за таких низьких температур і тривалий час розглядався як потенційно важливий кандидат на роль охолоджуючого агента при формуванні перших зірок. Отже, концентрація іонів гідриду гелію у Всесвіті може суттєво впливати на ефективність раннього зореутворення.

У той момент зіткнення з вільними атомами водню були ключовим шляхом розпаду HeH⁺, призводячи до утворення нейтрального атома гелію та іона H₂⁺. Після цього вони реагували з іншим атомом водню, утворюючи нейтральну молекулу H₂ та протон, що сприяло утворенню молекулярного водню. 

Німецькі дослідники вперше провели цю реакцію в умовах, що дуже нагадують ранішній Всесвіт. Вони досліджували реакцію HeH⁺ з дейтерієм, ізотопом водню, що містить в ядрі атома поряд з протоном додатковий нейтрон. При реакції HeH⁺ з дейтерієм замість H₂⁺ утворюється іон HD⁺ поряд з нейтральним атомом гелію.

Експеримент проводився на кріогенному накопичувачі (CSR) у Центрі фізики плазми та атомів (MPIK) у Гейдельберзі. Це унікальний прилад, для дослідження молекулярних та атомних реакцій в умовах, подібних до космічних. Для цього іони HeH⁺ зберігалися в 35-метровому іонному накопичувачі до 60 секунд, при температурі у -267 °C, і накладалися на пучок нейтральних атомів дейтерію.

Регулюючи відносні швидкості двох пучків частинок, дослідники вивчили залежність частоти зіткнень від енергії зіткнення, безпосередньо пов’язаної з температурою. Науковці з’ясували, що у супереч попереднім прогнозам, швидкість цієї реакції не уповільнюється зі зниженням температури, а залишається практично постійною.

Це спостереження узгоджується з висновками групи фізиків-теоретиків під керівництвом Йоханна Скрібано, які виявили помилку у розрахунку потенційної поверхні, що використовується у всіх попередніх розрахунках цієї реакції. Нові розрахунки з використанням покращеної потенційної поверхні тепер добре узгоджуються з експериментом CSR. Оскільки концентрації таких молекул, як HeH⁺ та молекулярний водень (H₂ або HD), відігравали важливу роль у формуванні перших зірок, цей результат наближає нас до розгадки таємниці їхнього утворення.

Результати дослідження опубліковані у журналі Astronomy & Astrophysics

Джерело: SciTechDaily