Ученые воссоздали первую химическую реакцию во Вселенной

Немецкие исследователи из Института ядерной физики Общества Макса Планка в Гейдельберге воссоздали первую химическую реакцию во Вселенной, которая произошла после Большого взрыва, около 13,8 млрд лет назад. 

Сразу после Большого взрыва Вселенная представляла собой плотное, бурлящее пространство экстремально высокой температуры. Однако уже через несколько секунд Вселенная начала охлаждаться настолько быстро, что первые атомные частицы смогли объединиться и образовать первые легкие элементы — водород и гелий.

На тот момент эти элементы были полностью ионизированы, то есть, их электроны еще не были связаны с ядрами. Потребовалось еще 380 тыс. лет, прежде чем Вселенная окончательно остыла для образования нейтральных атомов. Этот процесс получил название рекомбинации, позволяя электронам объединяться с ядрами, образуя стабильные атомы для дальнейших первых химических взаимодействий.

Одним из первых подобных химических взаимодействий было образование иона гидрида гелия (HeH+), который считается первой молекулой во Вселенной. Эта молекула образовалась при соединении нейтрального атома гелия с положительно заряженным ядром водорода.

Ее образование положило начало ряду реакций, которые, в конце концов, привели к образованию молекулярного водорода (H₂). На сегодняшний день, это самая распространенная молекула во Вселенной.

После завершения рекомбинации Вселенная погрузилась во тьму. Космическое пространство стало прозрачным, поскольку свободные электроны уже были связаны с атомами, а звезды и другие источники света еще не образовались. Прошло несколько сотен миллионов лет, прежде чем первые звезды осветили космос.

На этой ранней стадии развития Вселенной простые молекулы, как HeH⁺ и H₂ сыграли ключевую роль в формировании первых звезд. Для того, чтобы газовое облако протозвезды сжалось до размеров точки и начался процесс ядерного синтеза, тепло должно рассеиваться. Это происходит за счет столкновений, которые возбуждают атомы и молекулы, и те начинают излучать энергию в виде фотонов. Однако при температуре ниже примерно 10 тыс.°С этот процесс становится неэффективным для преобладающих атомов водорода.

Дальнейшее охлаждение становится возможным только за счет молекул, способных излучать дополнительную энергию за счет вращения или вибрации. Благодаря выраженному дипольному моменту ион HeH⁺ особенно эффективен при таких низких температурах и долгое время рассматривался как потенциально важный кандидат на роль охлаждающего агента при формировании первых звезд. Следовательно, концентрация ионов гидрида гелия во Вселенной может существенно влиять на эффективность раннего звездообразования.

В тот момент столкновения со свободными атомами водорода были ключевым путем распада HeH⁺, приводя к образованию нейтрального атома гелия и иона H₂⁺. После этого они реагировали с другим атомом водорода, образуя нейтральную молекулу H₂ и протон, что способствовало образованию молекулярного водорода.

Немецкие исследователи впервые провели эту реакцию в условиях, очень напоминающих раннюю Вселенную. Они исследовали реакцию HeH⁺ с дейтерием, изотопом водорода, содержащим в ядре атома наряду с протоном дополнительный нейтрон. При реакции HeH⁺ с дейтерием вместо H₂⁺ образуется ион HD⁺ рядом с нейтральным атомом гелия.

Эксперимент проводился на криогенном накопителе (CSR) в Центре физики плазмы и атомов (MPIK) в Гейдельберге. Это уникальный прибор, для исследования молекулярных и атомных реакций в условиях, подобных космическим. Для этого ионы HeH⁺ хранились в 35-метровом ионном накопителе до 60 секунд, при температуре в -267 °C, и накладывались на пучок нейтральных атомов дейтерия.

Регулируя относительные скорости двух пучков частиц, исследователи изучили зависимость частоты столкновений от энергии столкновения, напрямую связанной с температурой. Ученые выяснили, что вопреки предыдущим прогнозам, скорость этой реакции не замедляется с понижением температуры, а остается практически постоянной.

Это наблюдение согласуется с выводами группы физиков-теоретиков под руководством Йоханна Скрибано, которые обнаружили ошибку в расчете потенциальной поверхности, используемой во всех предыдущих расчетах этой реакции. Новые расчеты с использованием улучшенной потенциальной поверхности теперь хорошо согласуются с экспериментом CSR. Поскольку концентрации таких молекул, как HeH⁺ и молекулярный водород (H₂ или HD), играли важную роль в формировании первых звезд, этот результат приближает нас к разгадке тайны их образования.

Результаты исследования опубликованы в журнале Astronomy & Astrophysics

Источник: SciTechDaily