Вчені відтворили першу молекулярну реакцію у Всесвіті

Дослідники з Інституту Макса Планка успішно відтворили одну з перших хімічних реакцій у Всесвіті — взаємодію іона HeH+ із дейтерієм, що дає нове уявлення про початки зоряної еволюції.

Після Великого вибуху Всесвіт поступово охолоджувався, і перші стабільні атоми — гелій та водень — з’явилися приблизно через 380 000 років у процесі рекомбінації. Однією з перших хімічних сполук, що виникла, був іон гідриду гелію (HeH+), який відкрив шлях до формування молекулярного водню (H2) — найпоширенішої молекули у Всесвіті. У лабораторії Кріогенного кільця зберігання в Гейдельберзі вчені вперше змогли моделювати цю реакцію в умовах, подібних до космічних, при температурах кілька кельвінів.

У реакції HeH+ з дейтерієм (ізотопом водню) утворюється іон HD? і нейтральний атом гелію. Це важливо, оскільки саме HeH? міг виступати охолоджувачем протозоряних хмар, сприяючи формуванню перших зірок. “Реакції HeH? з воднем і дейтерієм, схоже, були набагато важливішими для хімії в ранньому Всесвіті, ніж передбачалося раніше”, — наголосив доктор Хольгер Крекель з MPIK.

Схема реакції та енергетичний рівень дослідженої реакції іона гідриду гелію з дейтерієм. Це швидка і безбар’єрна реакція, всупереч попереднім теоріям. Передумови: Планетарна туманність NGC 7027, молекулярний водень видно червоним кольором. Копирайт: Schematic: MPIK; фонове зображення: W. B. Latter (Науковий центр SIRTF / Каліфорнійський технологічний інститут) і NASA

Результати експерименту здивували вчених: на відміну від попередніх теорій, швидкість реакції не знижувалась із температурою. Це означає, що HeH? був більш стабільним, ніж вважалося, і активно брав участь у формуванні HD? — однієї з перших молекул, здатних випромінювати енергію через обертальні й вібраційні переходи. Саме ці властивості були критичними для подальшого охолодження Всесвіту та ефективного стискання газу для зореутворення.

Нове розуміння реакцій HeH? стало можливим завдяки також перегляду потенційної енергетичної поверхні: група на чолі з Йоганном Скрібано виявила помилки у попередніх розрахунках, що змінило уявлення про цю молекулярну взаємодію. “Цей результат наближає нас до розгадки таємниці формування перших зірок”, — підкреслили автори дослідження.

HeH+ має яскраво виражений дипольний момент, що робить його надзвичайно ефективним у випромінюванні енергії за низьких температур, — ключова властивість для раннього охолодження протозіркових хмар. Без таких молекул, як HeH? і H?, стискання газу до умов ядерного синтезу могло б бути неможливим у молодому Всесвіті.

Ці експерименти не лише підтверджують фундаментальні гіпотези космічної хімії, а й відкривають нові шляхи до розуміння структури і динаміки раннього Всесвіту, допомагаючи реконструювати сценарії зореутворення в епоху “космічної темної доби”.