Физики воссоздали первую молекулу во Вселенной
Ученые воспроизвели самую первую исторически известную молекулу — гидрид гелия — и выяснили, что ее вклад в процесс возникновения звезд был намного существеннее, чем полагалось ранее.
Юлия УгловаАвтор Hi-Tech Mail
Около 13,8 млрд лет назад произошел Большой взрыв, породивший Вселенную с экстремально высокой температурой и плотностью. Спустя лишь несколько секунд после этого события началось ее быстрое расширение и охлаждение, позволившее сформироваться простейшим химическим элементам. Они оставались полностью ионизированными вплоть до того момента, пока возраст Вселенной не достиг примерно 380 000 лет, пишет ScienceDaily.
Старейшей обнаруженной молекулой во Вселенной считается ион гидрида гелия (HeH+). Он образуется из нейтрального атома гелия и ионизованной частица водорода. Появление этого иона инициирует цепочку дальнейших химических превращений, ведущих к формированию молекулярного водорода (H₂), самого распространенного химического соединения в космосе.
На начальном этапе эволюции Вселенной простые молекулы, включая HeH⁺ и H⁺, сыграли значимую роль в рождении первых звезд. Чтобы сжатый газ облака будущей звезды мог достигнуть достаточной плотности для начала ядерного синтеза, избыток тепла должен был удаляться. Энергообмен происходил главным образом через столкновения, возбуждавшие атомы и молекулы, которые потом высвобождали поглощенную энергию в виде фотонов.
Впрочем, при температурах ниже примерно 10 000 °C такой механизм становился недостаточным для преобладающего водорода. Эффективное дальнейшее охлаждение возможно было лишь при участии молекул, способных дополнительно отдавать энергию через вращательные и вибрационные движения. Именно ион гидрида гелия (HeH⁺), обладая значительным дипольным моментом, оказался крайне эффективным при таких низких температурах и долго считался потенциальным кандидатом на роль основного охлаждающего агента при образовании первых звезд. Именно столкновения с атомами водорода выступали основной причиной разложения ионов HeH⁺, порождая нейтральный гелий и ионы H⁺. Затем H⁺ соединялись с другими атомами водорода. Так получался молекулярный водород.
Ученые из Института ядерной физики общества Макса Планка (MPIK) в Гейдельберге впервые смогли экспериментально повторить данную реакцию в условиях, приближенных к начальной стадии существования Вселенной. Они исследовали взаимодействие HeH⁺ с дейтерием, изотопом водорода, содержащим в ядре атома наряду с протоном дополнительный нейтрон. В результате реакции между HeH⁺ и дейтерием вместо H⁺ возникал ион HD⁺ вместе с нейтральным атомом гелия.
Эксперимент проводили на специальном устройстве — криогенном накопителе CSR. Это уникальное оборудование позволяет изучать атомные и молекулярные реакции в условиях, аналогичных межзвездным. Ионы HeH⁺ удерживались внутри кольца длиной 35 метров до 60 секунд при сверхнизкой температуре (около −267 °C). После этого ионный поток сталкивался с направленным навстречу пучком нейтральных атомов дейтерия. Ученые регулировали относительную скорость обоих потоков, изучая таким образом, как частота столкновений зависит от энергии столкновений, напрямую коррелирующей с температурой. Оказалось, что вопреки более ранним предсказаниям, скорость этой реакции не замедляется с понижением температуры, а остается практически постоянной.
«Ранее существовавшие модели утверждали, что вероятность протекания реакции должна резко снижаться при низких температурах, но наши эксперименты и новейшие расчеты, выполненные коллегами, не подтвердили это предположение. Получается, что реакции иона HeH⁺ с нейтральными атомами водорода и дейтерия имели большее значение для химической эволюции молодой Вселенной, чем считалось раньше», — заключет доктор Хольгер Креккель из MPIK.
Тем временем на Солнце зафиксировали сильнейшие вспышки за последнее время.
Поделиться
