Новые открытия о химических реакциях первой молекулы во Вселенной: разгадка тайны формирования первых звезд

Познание первых химических реакций во Вселенной является ключом к пониманию формирования первых звезд и эволюции космоса после Большого взрыва. Одним из важнейших этапов считается образование первой молекулы — гелий-гидридного иона (HeH⁺), который сыграл значительную роль в начале цепочки реакций, приведших к появлению молекулярного водорода (H₂), наиболее распространенной молекулы во Вселенной. Недавние исследования учёных из Макс-Планк-Института ядерной физики (MPIK) в Гейдельберге раскрывают неизвестные ранее аспекты реакции HeH⁺ с водородом и его изотопом — дейтерием, что существенно меняет представления о ранней химии космоса и формировании первых звёздных объектов. После Большого взрыва Вселенная представляла собой чрезвычайно горячее и плотное состояние, где элементарные частицы не могли связываться в сложные структуры. Со временем, по мере её расширения и охлаждения, примерно через 380 тысяч лет, температура снизилась достаточно, чтобы протекли процессы рекомбинации — электроны и ионы объединились в нейтральные атомы.

Это событие открыло дверь для химических реакций, которые легли в основу космической химии и структурного развития Вселенной. Гелий-гидридный ион — сложное образование из нейтрального атома гелия и ионизированного протона водорода. Он является самой древней молекулой во Вселенной и своим существованием дал старт образованию молекулярного водорода — важнейшего агента охлаждения в процессе формирования первых звёзд. Именно охлаждение газовых облаков позволяло им сжиматься под действием гравитации до тех пор, пока не начинались термоядерные реакции, зажигающие звезду. В ранней Вселенной простые атомы водорода, имеющие крайне неэффективные механизмы излучения энергии при низких температурах, не могли обеспечить должное охлаждение.

Молекулы, обладающие дипольным моментом, такие как HeH⁺, могли излучать энергию за счет вращательных и колебательных переходов, способствуя снижению температуры газовых облаков и их гравитационному коллапсу. Таким образом, концентрация HeH⁺ непосредственно влияла на эффективность формирования первых протозвездных объектов. Ранее считалось, что реакция HeH⁺ с нейтральными атомами водорода, ведущая к образованию иона H₂⁺, замедляется при низких температурах, присутствующих в ранней Вселенной. Эта реакция является важнейшим этапом синтеза молекулярного водорода. Новое исследование, проведённое с использованием уникального Криогенного накопительного кольца (Cryogenic Storage Ring, CSR) в MPIK, показывает, что скорость этой реакции практически не падает с уменьшением температуры, что значительно отличается от прежних теоретических представлений.

Эксперименты были выполнены при температуре всего несколько кельвинов (около -267 °C), очень близкой к космическим условиям ранней Вселенной. Для исследования реакции использовался изотоп водорода — дейтерий, что позволило получить более точные данные о механизмах реакций HeH⁺ с водородным изотопом, ведущих к образованию HD⁺ — иона молекулярного дейтерия. Измерения показали, что скорость реакции остаётся почти неизменной даже при самых низких температурных значениях, что свидетельствует о высокой активности HeH⁺ в ранней космологии. Таким образом, новая экспериментальная и теоретическая база позволила исправить ошибку предыдущих расчетов потенциальной энергии системы, которые не учитывали некоторых ключевых аспектов взаимодействия между HeH⁺ и водородными атомами. Благодаря улучшенной модели потенциальной поверхности теоретические результаты теперь полностью совпадают с экспериментальными данными CSR.

Это подтверждает, что роль реакции между HeH⁺ и атомами водорода в химии ранней Вселенной была значительно более значимой, чем считалось ранее. Данное открытие имеет огромное значение для моделирования процессов звездообразования и эволюции космоса. Поскольку молекулярный водород является основным агентом охлаждения для протозвёздных облаков, понимание особенностей реакций, ведущих к его формированию, позволяет точнее определить, сколько времени понадобилось Вселенной, чтобы сформировались первые звёзды и галактики. Это влияет также на методы интерпретации космического микроволнового фона и ранних спектров электромагнитного излучения, которые астрономы используют для изучения космологической истории. Помимо фундаментальной науки по происхождению молекулярных процессов, новые данные открывают перспективы для астрофизики, особенно в изучении космического вакуума и химии межзвёздного пространства.