Много преди звездите да осветят небето, Вселената е била горещо, плътно място, където простата химия тихо е подготвяла почвата за всичко, което предстои. Учените вече са пресъздали първата молекула, образувана някога - хелиев хидрид, и са открили, че тя е играла много по-голяма роля в раждането на звездите, отколкото сме предполагали. Използвайки специална ултрастудена лабораторна установка, те са имитирали условия отпреди над 13 милиарда години и са установили, че тази древна молекула е помогнала за охлаждането на Вселената точно толкова, колкото е необходимо, за да се възпламенят звездите. Техните открития биха могли да пренапишат част от историята за това как космосът е еволюирал от тъмнина към светлина.
Първата молекула на Вселената
Веднага след Големия взрив, който се е случил преди около 13,8 милиарда години, Вселената е била доминирана от невъобразимо високи температури и плътности. Само след няколко секунди обаче тя се е охладила достатъчно, за да се образуват първите елементи, предимно водород и хелий. По това време те все още са били напълно йонизирани, тъй като са били необходими почти 380 000 години, за да може температурата във Вселената да падне достатъчно, за да се образуват неутрални атоми чрез рекомбинация със свободни електрони. Това е проправило пътя за първите химични реакции.
Най-старата съществуваща молекула е хелиевият хидриден йон (HeH +), образуван от неутрален хелиев атом и йонизирано водородно ядро. Това бележи началото на верижна реакция, която води до образуването на молекулен водород (H2), който е най-разпространената молекула във Вселената.
Рекомбинацията е последвана от "тъмни векове“ на космологията: въпреки че Вселената вече е прозрачна поради свързването на свободните електрони, все още не е имало обекти, излъчващи светлина, като звезди. Минават няколкостотин милиона години, преди да се образуват първите звезди.
По време на тази ранна фаза на Вселената обаче, прости молекули като HeH⁺ и H2 са били от съществено значение за образуването на първите звезди. За да може свиващият се газов облак на протозвезда да се уплътни до степента, в която може да започне ядрен синтез, топлината трябва да се разсее. Това се случва чрез сблъсъци, които възбуждат атоми и молекули, които след това излъчват тази енергия под формата на фотони. Под приблизително 10 000 градуса по Целзий обаче този процес става неефективен за доминиращите водородни атоми.
По-нататъшното охлаждане може да се осъществи само чрез молекули, които могат да излъчват допълнителна енергия чрез въртене и вибрации. Поради изразения си диполен момент, йонът HeH⁺ е особено ефективен при тези ниски температури и отдавна се смята за потенциално важен кандидат за охлаждането при образуването на първите звезди. Следователно, концентрацията на хелиеви хидридни йони във Вселената може значително да повлияе на ефективността на ранното образуване на звезди.
През този период, сблъсъците със свободни водородни атоми са били основен път на разграждане на HeH⁺, образувайки неутрален хелиев атом и H2⁺ йон. Впоследствие те реагирали с друг H атом, за да образуват неутрална H2 молекула и протон, което довело до образуването на молекулен водород.
Експериментът
Изследователи от Института за ядрена физика "Макс Планк“ (MPIK) в Хайделберг успешно да пресъздали тази реакция при условия, подобни на тези в ранната вселена, за първи път. Те са изследвали реакцията на HeH⁺ с деутерий, изотоп на водорода, съдържащ допълнителен неутрон в атомното ядро, наред с протон. Когато HeH⁺ реагира с деутерий, вместо H2⁺ се образува йон HD⁺, наред с неутралния атом на хелий.
Експериментът е проведен в криогенния пръстен за съхранение (CSR - cryogenic storage meaning) в MPIK в Хайделберг — уникален в световен мащаб инструмент с диаметър 35 метра за изследване на молекулярни и атомни реакции в космически условия. За тази цел, HeH⁺ йони са били съхранявани в CSR за период до 60 секунди при температура няколко келвина (-267 °C) и са били насложени с лъч от неутрални деутериеви атоми. Чрез регулиране на относителните скорости на двата лъча частици, учените са успели да проучат как честотата на сблъсъка варира в зависимост от енергията на сблъсъка, която е пряко свързана с температурата.
Те откриват, че противно на по-ранните прогнози, скоростта, с която протича тази реакция, не се забавя с понижаване на температурата, а остава почти постоянна.
"Предишни теории предвиждаха 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 д-р Холгер Крекел (Holger Kreckel) 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 преди", продължава Крекел.
Това наблюдение е в съответствие с откритията на група теоретични физици, водени от Йохан Скрибано, които са идентифицирали грешка в изчисляването на потенциалната повърхност, използвана във всички предишни изчисления за тази реакция. Новите изчисления, използващи уточнена потенциална повърхност, сега са в тясно съответствие с експеримента CSR.
Тъй като концентрациите на молекули като HeH⁺ и молекулярен водород (H2 или HD) са играли важна роля във формирането на първите звезди, този резултат ни доближава до разрешаването на загадката на тяхното формиране.
Справка: F. Grussie, J. Sahoo, Y. Scribano, D. Bossion, L. Berger, M. Grieser, L. W. Isberner, Á. Kálosi, O. Novotný, D. Paul, A. Znotins, X. Urbain, H. Kreckel. Experimental confirmation of barrierless reactions between HeH+ and deuterium atoms suggests a lower abundance of the first molecules at very high redshifts. Astronomy & Astrophysics, 2025; 699: L12 DOI: 10.1051/0004-6361/202555316
Източник: Chemistry at the Beginning: How Molecular Reactions Influenced the Formation of the First Stars, MPIK
Още по темата
Космос
Нов рекордьор за най-далечна галактика и отново е открит от "Джеймс Уеб"
Медицина
Най-ранния пряк поглед как Вселената е преминала от тъмнина към светлина от космически фар отпреди 13 млрд години
Космос
Има ли в космоса еволюция и естествен подбор
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари
Прост Човек
Стъклените бутилки съдържат 5 до 50 пъти повече микропластмаси от пластмасовите бутилки
dolivo
Най-старите "човешки" фосили в Япония, се оказаха нечовешки, твърди ново проучване
dolivo
Как „зеленото побутване“ стимулира устойчивите избори на хората
helper68
Натурални суперколайдери: Черните дупки могат да се използват ускорители на частици