Дослідники з Інституту ядерної фізики Товариства Макса Планка у Гейдельберзі здійснили унікальний експеримент, відтворивши першу хімічну реакцію, яка відбулася у Всесвіті після Великого вибуху приблизно 13,8 мільярда років тому.
Про це розповідає ProIT
Як формувалися перші молекули після Великого вибуху
Початково Всесвіт був надзвичайно гарячим і щільним, але вже через кілька секунд після Великого вибуху він почав стрімко охолоджуватись. Це дало змогу першим елементарним частинкам об’єднатись і сформувати найлегші елементи — водень та гелій, які на початку були повністю іонізовані. Для формування нейтральних атомів знадобилося ще 380 тисяч років, коли відбувся процес рекомбінації: електрони поєдналися з ядрами, утворивши стабільні атоми, що дозволило виникнути першим хімічним реакціям.
Першою відомою молекулою став іон гідриду гелію (HeH+), який виник під час поєднання нейтрального атома гелію з позитивно зарядженим іоном водню. Ця молекула стала основою для наступних реакцій, які зрештою призвели до появи молекулярного водню (H2) — найпоширенішої молекули у сучасному Всесвіті.
Роль HeH+ у формуванні перших зірок та особливості експерименту
Після завершення рекомбінації Всесвіт на певний період поринув у темряву, оскільки зірки ще не існували. Саме молекули HeH+ і H2 відігравали ключову роль у процесах, що призвели до формування перших зірок. Для того, щоб протозоряна газова хмара стислася до стану, коли починається ядерний синтез, необхідно було відводити тепло. При температурах нижче 10 тисяч градусів Цельсія атоми водню вже не так ефективно віддають енергію, тому особливу роль почали відігравати молекули з вираженим дипольним моментом — як-от HeH+.
У ранньому Всесвіті саме зіткнення HeH+ з атомами водню призводило до утворення нейтрального гелію та іона H2+, що згодом реагував з іншим атомом водню, утворюючи молекулярний водень та протон. Саме цей ланцюжок реакцій заклав основи для сьогоднішнього складу космічного простору.
Німецькі вчені вперше змогли провести цю реакцію в лабораторних умовах, максимально наближених до умов раннього Всесвіту. Вони досліджували реакцію іона HeH+ з дейтерієм — ізотопом водню, який містить протон і нейтрон у ядрі. Під час реакції HeH+ з дейтерієм утворюється іон HD+ та нейтральний гелій.
Експеримент проводився на кріогенному накопичувачі CSR у Центрі фізики плазми та атомів у Гейдельберзі. Іони HeH+ зберігали у 35-метровому накопичувачі при температурі -267 °C до 60 секунд та взаємодіяли з пучком нейтральних атомів дейтерію. Дослідники варіювали швидкість зіткнення, щоб дослідити залежність частоти реакції від температури. Виявилося, що всупереч теоретичним прогнозам, швидкість реакції не знижується зі зменшенням температури, а залишається майже незмінною.
“Попередні теорії передбачали значне зниження ймовірності реакції за низьких температур, але нам не вдалося підтвердити це ні експериментально, ні за допомогою нових теоретичних розрахунків наших колег. Таким чином, реакції HeH⁺ з нейтральним воднем і дейтерієм, мабуть, були набагато важливішими для хімії раннього Всесвіту, ніж передбачалося раніше”, — підкреслив доктор з Центру фізики плазми та атомів Хольгер Креккель.
Результати німецьких фізиків підтверджують нові розрахунки теоретиків під керівництвом Йоханна Скрібано, які виявили неточності в попередніх моделях потенціальної енергії. Завдяки удосконаленим розрахункам, дані експерименту й теорії узгоджуються. Відкриття дозволяє глибше зрозуміти роль молекул HeH+ та водню у формуванні перших зірок та еволюції Всесвіту.
Детальні результати дослідження опубліковано у журналі Astronomy & Astrophysics.