Първите химични реакции след Големия взрив бяха възпроизведени за първи път в условия, подобни на тези в ранната Вселена. Екип от физици, ръководен от Флориан Груси от Института за ядрена физика „Макс Планк“ (MPIK) в Германия, възпроизведе реакциите на хелиев хидрид (HeH+), молекула, съставена от неутрален хелиев атом, който се слива с йонизиран атом водород. Това са първите стъпки, които водят до образуването на молекулен водород (H2) – най-разпространената молекула във Вселената и веществото, от което се раждат звездите. Новият експеримент разяснява някои от най-ранните процеси, довели до възникването на Вселената такава, каквато я познаваме днес.
Ранната Вселена
Раждането на Вселената преди около 13,8 милиарда години довело до образуването на гореща, гъста супа от фундаментални частици, кипяща при температури, прекалено високи за образуването на атоми. Отнело около 380 000 години, за да загубят ядрата и електроните достатъчно енергия, за да се слеят в първите елементи. Тези елементи били най-леките в периодичната таблица: около 75% водород, 25% хелий и следи от литий. Водородът продължава да доминира в списъка на съставките на Вселената и днес, под формата на молекулни газови облаци, които раждат звездните пещи, от които се раждат по-тежките елементи, чрез термоядрен синтез или бурни експлозии.
Нищо от това обаче не би могло да се случи без HeH+ – молекула, за която учените смятат, че е изиграла огромна роля в охлаждането на Вселената до степен, в която молекулните облаци са могли да се свият достатъчно, за да достигнат плътността, необходима за колапс под собствената си гравитация и да образуват семената на младите звезди.
Това се дължи на факта, че HeH+ има сравнително голямо разстояние между положителния и отрицателния си заряд. В присъствието на електрическо поле молекулата с голямо разстояние между зарядите претърпява енергийна промяна, която помага за разсейването на топлината, което означава, че HeH+ теоретично е изиграл ключова роля в подготовката на почвата за образуването на първите звезди.
Снимка: SIRTF Science Center/Caltech and NASA
Експериментът
Изследователите са провеждали експериментите си в Криогенния съхранителен пръстен на Института Макс Планк, съоръжение, предназначено за провеждане на експерименти във вакуумна среда при температури само няколко градуса над абсолютната нула, около -267 градуса Целзий, имитирайки условията в дълбокия космос.
Там те внимателно проучили взаимодействията между HeH+ и водороден атом с един допълнителен неутрон в ядрото си, известен като деутерий. Взаимодействието между HeH+ и деутерий генерира неутрален хелиев атом и молекула, състояща се от един неутрален водороден атом и един зареден деутериев атом (HD+), с по-ниски енергийни нива от първоначалните компоненти.
Вътре в съхранителния пръстен изследователите изстреляли два лъча частици: единият с молекули HeH+, а другият с неутрален деутерий. Те променили скоростта на двата лъча, за да променят енергията, с която частиците се сблъскват, като заместител на температурата, за да видят дали температурата играе роля в скоростта на реакцията.
Това не се случило. Скоростта, с която протичала реакцията, останала постоянна, независимо от заместващата температура, което предполага, че ролята на HeH+ в ранната Вселена не е намаляла с охлаждането и че тя е била значителна за образуването на първото поколение звезди.
„Предишните теории предсказваха значително намаляване на вероятността за реакция при ниски температури, но не успяхме да потвърдим това нито в експеримента, нито в новите теоретични изчисления на нашите колеги“, обяснява физикът Холгер Крекел от MPIK.
„Следователно реакциите на HeH+ с неутрален водород и деутерий изглежда са били много по-важни за химията в ранната Вселена, отколкото се предполагаше досега.“
Изследването е публикувано в Astronomy & Astrophysics.
