Величайшие тайны происхождения Вселенной всегда манили учёных и философов. Одной из ключевых загадок космоса является понимание того, как случилась первая химическая реакция, положившая начало сложной цепочке взаимодействий, сформировавших молекулы и звёзды. Недавно исследователи из Института Макса Планка по ядерной физике в Гейдельберге совершили значительный прорыв – они впервые смогли в лабораторных условиях воспроизвести реакцию, которая произошла всего через несколько сотен тысяч лет после большого взрыва, примерно 13,8 миллиарда лет назад. Этот опыт открывает новый уровень понимания астрохимии и зарождения Вселенной в целом.Космологический фон и условия возникновения первых химических связейНемногое известно о том, что происходило в первые секунды и минуты после Большого взрыва.
Сначала космос представлял собой плотное и невероятно горячее субстанцию, где атомы и молекулы не могли существовать. В течение нескольких сотен тысяч лет температура постепенно падала, и зарядженные частицы смогли комбинироваться, образуя нейтральные атомы водорода и гелия – самых лёгких элементов во Вселенной. Этот этап известен как рекомбинация.Одним из первых продуктов химической эволюции стал гелий-гидридный ион (HeH+). Эта молекула, состоящая из атома гелия и протона водородного ядра, признана самой первой молекулой, возникшей во Вселенной.
Образование HeH+ стало важным шагом, потому что он смог служить катализатором для создания последующих молекул, прежде всего молекулы водорода (H2), которая доминирует в космосе и играет ключевую роль в звёздообразовании.Тайны космической тёмной эры и значение простых молекулПосле рекомбинации наступила эпоха космической тёмной эры – период, когда Вселенная была прозрачной, но ещё не содержала звёзд или других ярких источников света. За это время простые молекулы, такие как HeH+ и H2, были жизненно важны для процессов охлаждения протозвёздных облаков. Для начала реакции термоядерного синтеза необходимо, чтобы газовое облако могло достаточно охладиться и сократиться под действием гравитации. Молекулы с дипольным моментом, такие как HeH+, эффективно излучают энергию при вращении и вибрации, помогая рассеивать тепло и обеспечивая условия для коллапса и формирования звёзд.
Ранее считалось, что с понижением температуры скорость реакций между HeH+ и водородом резко падает, что снижало значимость этих молекул в раннем космосе. Однако новая работа учёных разрушила этот стереотип, показав, что такие реакции протекают с постоянной скоростью даже при экстремально низких температурах, что значительно меняет наши представления о химии ранней Вселенной.Эксперименты в условиях космоса: достижение инновацийОснову эксперимента составила установка Cryogenic Storage Ring (CSR) Института Макса Планка – уникальный криогенный ионный колецовый хранилище, обеспечивающее имитацию условий ранней Вселенной с температурами порядка нескольких кельвинов. В таких условиях ионы HeH+ хранились десятки секунд, сталкиваясь с атомами дейтерия – изотопа водорода с дополнительным нейтроном.Уникальность методики заключалась в контроле относительных скоростей и энергии частиц, что позволило детально изучить кинетику химической реакции в диапазоне температур, близких к космическим ранним этапам.
Результаты показали, что скорость реакций между HeH+ и дейтерием не уменьшается с падением температуры, оставаясь практически постоянной. Данное наблюдение противоречит ранее существующим теориям и подтверждается новыми улучшенными расчетами потенциальной поверхности взаимодействия, разработанными теоретиками.Последствия для понимания звёздообразования и космической химииПодобные открытия имеют огромное значение для астрофизики. Понимание роли HeH+ и молекулярного водорода в охлаждении газовых облаков даёт возможность более точно моделировать условия формирования первых звёзд и галактик. Благодаря сохранению высокой скорости химических реакций даже при низких температурах считается, что эти процессы могли происходить гораздо интенсивнее, чем считалось ранее.
Изменение представлений о молекулярной химии ранней Вселенной отражается в более корректной оценке концентраций молекул на высоких красных смещениях – эпохе, когда Вселенная была ещё крайне молода. Это, в свою очередь, позволяет астрономам лучше интерпретировать данные наблюдений, включая редкие космические сигналы, связанные с нулевой эпохой Вселенной. Новый взгляд на космологическую химию пересматривает важную роль простейших молекул, которые служили фундаментом для возникновения сложных соединений, необходимых для звёздообразования. Открытия учёных из MPIK усиливают связь между лабораторной физикой, теоретической химией и космическими наблюдениями, подчеркивая взаимозависимость различных научных дисциплин в понимании происхождения Вселенной. Перспективы дальнейших исследований и влияние на наукуПолученные результаты стимулируют дальнейшие исследования в области космической химии и астрофизики.
