Схема реакции и энергетический уровень исследованной реакции гидрид-иона гелия с дейтерием. Это быстрая и безбарьерная реакция, что противоречит более ранним теориям. На фоне — планетарная туманность NGC 7027, молекулярный водород виден красным цветом.
**Сразу после Большого взрыва, который произошёл около 13,8 миллиарда лет назад, во Вселенной установились невообразимо высокие температура и плотность. Однако уже через несколько секунд она достаточно остыла, чтобы образовались первые элементы, в первую очередь водород и гелий. В этот момент они были ещё полностью ионизированы, поскольку потребовалось почти 380 000 лет, чтобы температура во Вселенной упала настолько, что в результате рекомбинации со свободными электронами смогли образоваться нейтральные атомы. Это открыло путь для первых химических реакций.
Самой старой из существующих молекул является гидрид-ион гелия (HeH+), образовавшийся из нейтрального атома гелия и ионизированного ядра водорода. Это положило начало цепной реакции, которая привела к образованию молекулярного водорода (H2), являющегося на сегодняшний день самой распространённой молекулой во Вселенной.**
За рекомбинацией последовали «тёмные века» космологии: хотя Вселенная стала прозрачной благодаря связыванию свободных электронов, в ней все ещё не было светоизлучающих объектов, таких как звезды. Прошло несколько сотен миллионов лет, прежде чем образовались первые звезды.
Однако на этой ранней стадии развития Вселенной простые молекулы, такие как HeH+ и H2, были необходимы для формирования первых звёзд. Чтобы сжимающееся газовое облако протозвёзды сколлапсировало до точки, где может начаться ядерный синтез, необходимо рассеивать тепло. Это происходит за счёт столкновений, возбуждающих атомы и молекулы, которые затем излучают эту энергию в виде фотонов. Однако ниже примерно 10 000°С этот процесс становится неэффективным для атомов водорода, коих в облаке присутствует больше всего. Дальнейшее охлаждение может происходить только за счёт молекул, способных излучать дополнительную энергию за счёт вращения и вибрации. Благодаря ярко выраженному дипольному моменту ион HeH+ особенно эффективен при таких низких температурах и долгое время считался потенциально важным кандидатом на охлаждение при формировании первых звёзд. Следовательно, концентрация гидрид-ионов гелия во Вселенной может существенно влиять на эффективность раннего звёздообразования.
В этот период столкновения со свободными атомами водорода были основным путём распада HeH+ с образованием нейтрального атома гелия и иона H2+. Впоследствии они вступали в реакцию с другим атомом H, образуя нейтральную молекулу H2 и протон, что приводило к образованию молекулярного водорода.
Исследователи из Института ядерной физики Макса Планка (MPIK) в Гейдельберге впервые успешно воссоздали эту реакцию в условиях, подобных тем, что существовали в ранней Вселенной. Они исследовали реакцию HeH+ с дейтерием, изотопом водорода, содержащим дополнительный нейтрон в атомном ядре наряду с протоном. Когда HeH+ реагирует с дейтерием, вместо H2+ образуется ион HD+ наряду с нейтральным атомом гелия.
Эксперимент проводился на Криогенном кольце хранения (CSR) в МПИК в Гейдельберге — уникальном приборе для исследования молекулярных и атомных реакций в условиях, сходных с космическими. Ионы HeH+ хранились в кольце диаметром 35 метров порядка 60 секунд при температуре в несколько кельвинов (-267 °C) и накладывались на пучок нейтральных атомов дейтерия. Регулируя относительные скорости двух пучков частиц, учёные смогли изучить, как скорость столкновений меняется в зависимости от энергии столкновения, которая напрямую зависит от температуры.
Они обнаружили, что, вопреки прежним предсказаниям, скорость протекания этой реакции не замедляется с понижением температуры, а остаётся практически постоянной. «Предыдущие теории предсказывали значительное снижение вероятности реакции при низких температурах, но мы не смогли подтвердить это ни в эксперименте, ни в новых теоретических расчётах наших коллег», — объясняет доктор Хольгер Крекель из MPIK. «Таким образом, реакции HeH+ с нейтральным водородом и дейтерием, похоже, были гораздо важнее для химии в ранней Вселенной, чем предполагалось ранее», — продолжил он. Это наблюдение согласуется с выводами группы физиков-теоретиков под руководством Йохана Скрибано, которые выявили ошибку в расчёте потенциальной поверхности, использовавшейся во всех предыдущих расчётах для этой реакции. Новые расчёты с использованием улучшенной потенциальной поверхности теперь тесно согласуются с экспериментом CSR.
Поскольку концентрация таких молекул, как HeH+ и молекулярный водород (H2 или HD), играла важную роль в формировании первых звёзд, этот результат приближает нас к разгадке тайны их образования.
Источник: habr.com