Исследователи из Института ядерной физики Макса Планка (MPIK) в Гейдельберге воссоздали ключевую химическую реакцию ранней Вселенной, получив результаты, которые могут изменить понимание учеными того, как формировались первые звезды.
Исследование было сосредоточено на ионе гидрида гелия (HeH⁺), который широко признан первой молекулой, образовавшейся во Вселенной. Ученые полагают, что HeH⁺ появился примерно через 380 000 лет после Большого взрыва, когда Вселенная остыла достаточно, чтобы электроны и атомные ядра смогли объединиться в нейтральные атомы — в период, известный как рекомбинация. Это ознаменовало начало химии в космосе.
Сразу после Большого взрыва, около 13,8 миллиарда лет назад, Вселенная была чрезвычайно горячей и плотной. По мере ее расширения и остывания водород и гелий стали доминирующими элементами. Как только образовались нейтральные атомы гелия, они могли вступать в реакцию с ионизированными ядрами водорода, или протонами, образуя ионы гидрида гелия.
Несмотря на простую структуру, HeH⁺ играл важную роль в молодой Вселенной. Он был первым шагом в цепи реакций, которые в конечном итоге привели к образованию молекулярного водорода (H₂), молекулы, состоящей из двух атомов водорода и являющейся в настоящее время самой распространенной молекулой во Вселенной. Молекулярный водород впоследствии стал ключевым компонентом для формирования первых звезд.
В то время Вселенная вступила в фазу, которую часто называют космологическим «темным веком». Вещество стало прозрачным для света после рекомбинации, но звезд и галактик, излучающих видимый свет, еще не существовало. Пройдут сотни миллионов лет, прежде чем появятся первые звезды.
Чтобы сформировались эти первые звезды, большие газовые облака должны были сколлапсировать под действием собственной гравитации. Для этого газу требовалось остыть, высвобождая энергию. Хотя атомы водорода могут способствовать этому процессу при высоких температурах, их эффективность снижается ниже примерно 10 000 градусов Цельсия. Молекулы могут продолжать процесс охлаждения, высвобождая энергию посредством вращательных и колебательных движений.
Ученые давно рассматривали HeH⁺ как потенциально важный хладагент из-за его сравнительно большого дипольного момента — свойства, которое описывает распределение электрического заряда внутри молекулы и позволяет ей эффективно высвобождать энергию. Таким образом, количество гидрида гелия, присутствовавшего в ранней Вселенной, могло повлиять на то, насколько легко могли формироваться первые звезды.
В то же время HeH⁺ постоянно разрушался. В первозданных условиях его основными механизмами разрушения были рекомбинация со свободными электронами и химические реакции с атомами водорода. Эти реакции в конечном итоге способствовали образованию молекулярного водорода, связывая формирование и разрушение HeH⁺ с химией, сформировавшей раннюю Вселенную.
В течение многих лет теоретические исследования предполагали, что реакции между HeH⁺ и атомами водорода будут замедляться при низких температурах. Ученые полагали, что на пути реакции существует энергетический барьер, который снижает вероятность ее протекания в холодных условиях ранней Вселенной. Новое исследование предполагает обратное.
Чтобы изучить этот процесс, исследователи воссоздали тесно связанную реакцию с использованием дейтерия — природного изотопа водорода, содержащего один протон и один нейтрон в ядре. Когда HeH⁺ сталкивается с дейтерием, он образует ион HD⁺ и нейтральный атом гелия. Это позволяет ученым контролируемо изучать реакцию, тесно имитируя поведение исходной реакции с участием водорода.
Эксперименты проводились в Кольце криогенного хранения (CSR) в MPIK — специализированном комплексе, предназначенном для воссоздания условий, схожих с космическими. Исследователи удерживали ионы HeH⁺ в 35-метровом накопительном кольце до 60 секунд при температурах всего на несколько кельвинов выше абсолютного нуля и сталкивали их с пучком нейтральных атомов дейтерия. Регулируя скорости двух пучков частиц, команда измеряла, как скорость реакции изменяется в зависимости от энергии столкновения, которая напрямую связана с температурой.
Исследователи обнаружили, что скорость реакции остается почти постоянной при понижении температуры. Иными словами, реакция не замедляется при низких температурах, как предсказывали предыдущие модели.
«Предыдущие теории предсказывали значительное снижение вероятности реакции при низких температурах, но мы не смогли подтвердить это ни в эксперименте, ни в новых теоретических расчетах наших коллег», — пояснил доктор Хольгер Крекель из MPIK.
«Следовательно, реакции HeH⁺ с нейтральным водородом и дейтерием, по-видимому, имели гораздо большее значение для химии ранней Вселенной, чем предполагалось ранее», — продолжил он.
По мнению исследователей, реакция, по-видимому, протекает без барьера, что означает отсутствие энергетического препятствия, мешающего ее эффективному протеканию даже при очень низких температурах. Эти выводы подтверждают недавние теоретические работы под руководством физика Йоана Скрибано, чья группа выявила ошибку в широко используемой поверхности потенциальной энергии — математической модели, описывающей, как изменяется энергия системы во время химической реакции. Похоже, эта ошибка привела к тому, что предыдущие исследования значительно недооценили скорости реакции в первозданных условиях.
Новые расчеты тесно согласуются с экспериментальными результатами. Вместе они предполагают, что химию гелия в ранней Вселенной, возможно, придется пересмотреть.
Поскольку такие молекулы, как HeH⁺ и молекулярный водород, играли важную роль в охлаждении первозданных газовых облаков, эти результаты могут помочь ученым построить более точные модели формирования первых звезд. Демонстрируя, что гидрид гелия, вероятно, разрушался более эффективно, чем считалось ранее, исследование предлагает новое понимание химических процессов, которые сформировали Вселенную на самых ранних этапах и способствовали созданию условий для появления первых звезд.
Источник: Max-Planck Institute, EDP Sciences
Эта статья была сгенерирована с помощью ИИ и отредактирована. В соответствии с Разделом 107 Закона об авторском праве 1976 года, этот материал используется в целях новостного освещения. Добросовестное использование — это использование, разрешенное статутом об авторском праве, которое в противном случае могло бы нарушать права.
Всегда имейте в виду, что редакции могут придерживаться предвзятых взглядов в освещении новостей.
Автор – Sayan Sen
