Физики выяснили, какие химические реакции повлияли на образование первых звезд
Сразу после Большого взрыва во Вселенной не было ни небесных тел, ни света. Только через сотни миллионов лет в ней начали загораться первые звезды. Для этого газовые облака должны были остыть, сжаться и разогреться до температур, при которых запускается термоядерная реакция. Новый эксперимент немецких физиков показывает, что одну из ключевых ролей в этом процессе могли сыграть простейшие молекулы — ион гелия и водорода, HeH⁺.
Около 13,8 миллиарда лет назад, сразу после Большого взрыва, Вселенная была невероятно горячей и плотной. Уже через несколько секунд она начала остывать настолько, что из элементарных частиц начали формироваться первые ядра водорода и гелия. Но для образования нейтральных атомов понадобилось еще около 380 тысяч лет. Когда свободные электроны наконец соединились с ядрами, началась химия и родилась первая молекула: ион HeH⁺, состоящий из атома гелия и ионизированного ядра водорода.
Этот ион был главным участником ранних химических процессов во Вселенной. Он помогал образовываться более сложным молекулам, включая H₂ — молекулярный водород, который сегодня является самой распространенной молекулой в космосе. Но тогда, на заре всего, он был редкостью.
Период после рекомбинации, когда Вселенная стала прозрачной, но в ней еще не появилось ни одной звезды, называют темными веками. Света не было, потому что не было объектов, способных его излучать. Однако именно в это время в холодных газовых облаках начали формироваться протозвезды. Чтобы они могли сжаться до нужной плотности, облака должны были терять тепло.
При высоких температурах это происходило благодаря столкновениям атомов, которые испускали энергию в виде фотонов. Но при температурах ниже 10 тысяч градусов Цельсия атомарный водород становится малоэффективным. Энергию в таких условиях могли отдавать только молекулы, особенно те, у которых есть дипольный момент — например, HeH⁺.
Он способен эффективно испускать энергию за счет вращения и колебаний своей структуры. Это делает его особенно ценным для охлаждения вещества во времена, когда звезды еще не существовали. Однако этот ион нестабилен. Он легко распадается при столкновениях с атомами водорода: образуется обычный атом гелия и другой ион — H₂⁺, который уже может взаимодействовать с водородом и формировать молекулярный водород H₂. Таким образом HeH⁺ стал катализатором образования H₂ — ключевого вещества для рождения звезд.
Исследователи из Института ядерной физики Макса Планка в Гейдельберге впервые воссоздали эту реакцию в условиях, приближенных к тем, что были в ранней Вселенной. Они изучили взаимодействие HeH⁺ с дейтерием — тяжелым изотопом водорода, у которого в ядре есть не только протон, но и нейтрон. В результате образовывался ион HD⁺ и нейтральный гелий.
Такие реакции проходили в уникальной установке — криогенном кольце хранения ионов, Cryogenic Storage Ring. В этой 35-метровой установке ионы HeH⁺ хранились при температуре около 4 Кельвинов (–267 °C), после чего их направляли на встречу с пучком атомов дейтерия.
Ученые изменяли скорости пучков, чтобы выяснить, как вероятность столкновений зависит от энергии, то есть от температуры. Результаты оказались неожиданными: вопреки предыдущим теориям, эффективность реакции не падала при охлаждении, а оставалась почти неизменной.
Как пояснил доктор Хольгер Крекель, ранее считалось, что при низких температурах реакция почти не идет. Но ни эксперимент, ни новые расчеты этого не подтвердили. Это значит, что молекулы вроде HeH⁺ и их реакции с водородом могли играть куда большую роль в звездной химии, чем предполагалось.
Этот вывод подтвердили и теоретики из команды Йоанна Скрибано. Они обнаружили ошибку в расчетах потенциальной поверхности молекулы, которая использовалась в старых моделях. После ее исправления новые теоретические оценки идеально совпали с экспериментом.
Статью об эксперименте опубликовали в журнале Astronomy & Astrophysics.
Изображение National Astronomical Observatory of Japan
Самое популярное
