Сразу после Большого взрыва, который произошёл около 13,8 миллиарда лет назад, во Вселенной царили невообразимо высокие температуры и плотность. Однако всего через несколько секунд она остыла настолько, что смогли образоваться первые элементы — в основном водород и гелий. На тот момент они были полностью ионизированы. Потребовалось почти 380 тысяч лет, чтобы температура во Вселенной снизилась до уровня, при котором нейтральные атомы могли сформироваться через рекомбинацию со свободными электронами. Это проложило путь для первых химических реакций.
Самой древней молекулой является ион гидрида гелия (HeH⁺), образованный из нейтрального атома гелия и ионизированного ядра водорода. Это знаменует начало цепной реакции, которая приводит к образованию молекулярного водорода (H₂) — самой распространённой молекулы во Вселенной.
После рекомбинации наступил «тёмный век» космологии: хотя Вселенная стала прозрачной из-за связывания свободных электронов, световых объектов, таких как звёзды, ещё не было. Прошло несколько сотен миллионов лет, прежде чем сформировались первые звёзды.
В этот ранний период простые молекулы, такие как HeH⁺ и H₂, сыграли важную роль в формировании первых звёзд. Чтобы газовое облако протозвезды сжалось до начала ядерного синтеза, необходимо рассеивать тепло. Это происходит за счёт столкновений, которые возбуждают атомы и молекулы, а затем они излучают эту энергию в виде фотонов.
Однако при температуре ниже примерно 10 000 градусов Цельсия этот процесс становится неэффективным для доминирующих атомов водорода. Дальнейшее охлаждение может происходить только через молекулы, которые могут излучать дополнительную энергию за счёт вращения и вибрации.
Благодаря своему выраженному дипольному моменту, ион HeH⁺ особенно эффективен при таких низких температурах и долгое время считался потенциально важным кандидатом для охлаждения при формировании первых звёзд. Следовательно, концентрация ионов гидрида гелия во Вселенной может существенно влиять на эффективность раннего звездообразования.
В этот период столкновения со свободными атомами водорода были основным путём деградации HeH⁺, образуя нейтральный атом гелия и ион H₂⁺. Затем они вступали в реакцию с другим атомом H, образуя нейтральную молекулу H₂ и протон, что приводило к образованию молекулярного водорода.
Исследователи из Института ядерной физики Общества Макса Планка (MPIK) в Гейдельберге впервые успешно воссоздали эту реакцию в условиях, аналогичных условиям ранней Вселенной. Они исследовали реакцию HeH⁺ с дейтерием, изотопом водорода, содержащим дополнительный нейтрон в атомном ядре наряду с протоном. Когда HeH⁺ реагирует с дейтерием, вместо H₂⁺ образуется ион HD⁺, а также нейтральный атом гелия.
Исследование опубликовано в журнале Astronomy & Astrophysics.
Эксперимент проводился на криогенном накопительном кольце (CSR) в MPIK в Гейдельберге — уникальном в мире инструменте для изучения молекулярных и атомных реакций в условиях, подобных космическим. Для этого ионы HeH⁺ хранились в накопительном кольце диаметром 35 метров до 60 секунд при нескольких кельвинах (-267 °C), и на них накладывался пучок нейтральных атомов дейтерия. Регулируя относительные скорости двух пучков частиц, учёные смогли изучить, как изменяется скорость столкновений в зависимости от энергии столкновения, которая напрямую связана с температурой.
Они обнаружили, что, вопреки ранним прогнозам, скорость протекания этой 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 Крекель из MPIK. «Реакции HeH⁺ с нейтральным водородом и дейтерием, по-видимому, были гораздо более важными для химии в ранней Вселенной, чем предполагалось ранее».
Это наблюдение согласуется с выводами группы физиков-теоретиков под руководством Йоханна Скрибано, которые выявили ошибку в расчёте потенциальной поверхности, используемой во всех предыдущих расчётах для этой реакции. Новые расчёты с использованием улучшенной потенциальной поверхности теперь тесно связаны с экспериментом CSR.
Поскольку концентрации таких молекул, как HeH⁺ и молекулярный водород (H₂ или HD), играли важную роль в формировании первых звёзд, этот результат приближает нас к разгадке тайны их формирования.
Предоставлено Обществом Макса Планка.