實(shí)驗(yàn)重現(xiàn)了宇宙最早的化學(xué)反應(yīng)

之后的第一次化學(xué)反應(yīng)大爆炸首次在與嬰兒宇宙類似的條件下被重新創(chuàng)造。

由德國馬克斯·普朗克核物理研究所 （MPIK） 的弗洛里安·格魯西 （Florian Grussie） 領(lǐng)導(dǎo)的物理學(xué)家團(tuán)隊(duì)再現(xiàn)了氫化氦離子 （HeH⁺），一種由中性氦原子與電離氫原子融合而成的分子。

這些是導(dǎo)致分子氫（H₂);宇宙中最豐富的分子，也是恒星誕生的物質(zhì)。因此，這項(xiàng)新工作闡明了產(chǎn)生我們今天所知的宇宙的一些最早過程。

相關(guān)：宇宙中第一個分子鍵終于在太空中被探測到

大約 138 億年前，宇宙誕生的陣痛產(chǎn)生了一團(tuán)熱而濃密的基本粒子湯，這些粒子在太高的溫度下沸騰，原子無法形成。

大約花了38萬年使原子核和電子失去足夠的能量來凝結(jié)成最初的元素。這些元素是元素周期表所能提供的最輕的;大約 75% 的氫氣、25% 的氦氣和微量的鋰。

如今，氫氣繼續(xù)在宇宙的成分列表中占據(jù)主導(dǎo)地位，作為分子氣體云，通過聚變或劇烈爆炸，誕生了恒星熔爐，較重的元素從中誕生。

然而，如果沒有 HeH，這一切都不可能發(fā)生⁺– 科學(xué)家認(rèn)為，這種分子在充分冷卻宇宙方面發(fā)揮了巨大作用，使分子云能夠收縮到足以達(dá)到在自身引力下坍縮形成嬰兒恒星種子所需的密度。

那是因?yàn)楹呛?sup>+其正電荷和負(fù)電荷之間的間隔相對較大。在電場存在的情況下，具有大電荷分離的分子會經(jīng)歷能量轉(zhuǎn)移幫助散熱，這意味著 HeH⁺理論上在為第一批恒星的形成鋪平道路方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

研究人員在馬克斯·普朗克研究所的低溫儲存環(huán)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，該設(shè)施旨在在溫度僅高于幾度的真空環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)絕對零度，大約 -267 攝氏度（-449 華氏度），模仿深空的條件。

在那里，他們仔細(xì)研究了 HeH 之間的相互作用⁺以及一個氫原子，其原子核中有一個額外的中子，稱為氘。HeH 之間的相互作用⁺氘產(chǎn)生一個中性氦原子和一個由一個中性氫原子和一個帶電氘原子組成的分子（HD⁺），能量水平低于原始組件。

在存儲環(huán)內(nèi)，研究人員發(fā)射了兩束粒子;一個與 HeH⁺分子，另一個與中性氘。他們改變了兩束光束的速度，以改變粒子碰撞的能量，作為溫度的代表，看看溫度是否在反應(yīng)速率中發(fā)揮作用。

事實(shí)并非如此。無論代理溫度如何，反應(yīng)發(fā)生的速率都保持穩(wěn)定——表明 HeH 的作用⁺在早期宇宙中發(fā)揮的作用并沒有隨著冷卻的展開而下降，它在第一代恒星形成中的作用是重要的。

“以前的理論預(yù)測反應(yīng)概率在低溫下會顯著降低，但我們無法在實(shí)驗(yàn)或同事的新理論計算中驗(yàn)證這一點(diǎn)，”MPIK 的物理學(xué)家 Holger Kreckel 解釋道.

“HeH 的反應(yīng)⁺因此，中性氫和氘對于早期宇宙的化學(xué)似乎比之前假設(shè)的要重要得多。

該研究已發(fā)表在天文學(xué)與天體物理學(xué).

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