最古老的分子，颠覆理论预期

宇宙中最早的分子

我们的宇宙诞生于大约138亿年前，在最初的时刻，宇宙拥有着难以想象的高温。

但仅仅在几秒后，它便冷却到足以形成第一批元素，主要是氢和氦，以及少量的锂。这些元素在开始的时候是完全电离的，直到大约38万年后，宇宙的温度才下降到允许让自由电子与原子核结合，形成中性原子。这为第一批化学反应的发生铺平了道路。

在所有形成的分子中，氦合氢离子（HeH⁺）是目前已知最早出现的，它由一个中性的氦（He）原子与一个电离的氢核（质子）结合而成。HeH⁺的形成开启了一系列化学反应，最终导致宇宙中最常见的分子——分子氢（H₂）的形成。

在一项新发表于《天文学与天体物理学》杂志的研究中，一个研究团队探索了HeH⁺与氘原子的化学反应，揭示了违背理论预期的结果。这项研究拓展了我们对早期宇宙化学反应过程的理解，并对揭示第一批恒星的形成机制具有重要意义。

宇宙早期的关键冷却剂

在宇宙早期阶段，像HeH⁺和H₂这样的简单分子对第一批恒星的形成至关重要。为了使原恒星的气体云持续坍缩到足以启动核聚变的程度，必须有效地释放热量，否则气体压力会抵消引力，阻止恒星形成。这种热量的释放通常通过原子和分子的碰撞激发实现，随后它们以光子的形式辐射出这些能量。

在温度低于10,000开尔文时，所有轻元素原子的能级间距过大，无法通过光子发射实现所需的冷却，从而不足以支撑原初原恒星的进一步坍缩。此时，进一步的冷却只能依靠那些能够通过转动与振动释放额外能量的分子来实现。

HeH⁺拥有显著的偶极矩，能在低温环境下特别高效地辐射能量，因而长期以来被认为是第一批恒星形成中的一种重要“冷却剂”。因此，HeH⁺在宇宙中的浓度可能对恒星形成效率产生重大影响。

在那个时期，HeH⁺与自由氢原子的碰撞，是HeH⁺的一种主要降解途径。这一反应会生成一个中性氦原子与一个H₂⁺离子。而H₂⁺离子会进一步与另一个氢原子反应，生成一个中性的氢分子和一个质子，最终促成H₂的形成。

挑战理论预期的实验结果

在新的研究中，研究人员首次在近似早期宇宙的条件下，成功重现了这一反应——不过，他们研究的是HeH⁺与氘（D）原子的反应。氘是氢的同位素，其原子核中除了一个质子，还含有一个中子。当HeH⁺与氘发生反应时，会生成HD⁺和一个中性氦原子——类似于早期宇宙中HeH⁺与氢反应的过程。

之所以选择研究HeH⁺与氘原子之间的反应，而非与氢原子的反应，是因为在实验中，HD⁺的背景噪声更低，因此作为产物更容易被检测出来；相比之下，H₂⁺的检测容易受干扰。不过，由于这两种反应共用相同的势能面，因此研究结果对氢也适用。

这个实验是在一个低温存储环（CSR）上进行的。CSR是一个静电存储环，环形轨道的周长为35.2米。在低温运行条件下，存储环内层可以维持在约6开尔文（-267°C）的极低温度。

在实验中，研究人员将大约4 × 10⁷个HeH⁺离子注入存储环中，并将其存储在环中长达60秒。在存储期间，HeH⁺离子经历辐射致冷，迅速释放能量并失去大部分内部激发态。理论计算表明，仅在存储5秒之后，这些离子就会处于两个最低的转动态。

与此同时，一束中性的氘原子束穿过储存环的直线注入段，与存储的HeH⁺离子束叠加。通过调节两束粒子的相对速度，研究人员得以精确测量碰撞速率如何随碰撞能量（与温度直接相关）变化。

HeH⁺与D之间反应的反应路径与能级示意图。与早期理论预测相反，该反应在无势垒条件下迅速发生。背景图为行星状星云NGC 7027，其中红色区域显示的是分子氢。

早先的理论模型预测，在低温下，反应速率应该会显著下降。但令人惊讶的是，与早期理论预测的不同，实验结果显示该反应速率在低温下几乎保持不变。

为第一批恒星起源提供重要线索

这样的实验结果表明，HeH⁺与中性氢和氘之间的反应在早期宇宙化学中的重要性，可能远高于以往的预期。

这一实验结果与此前的另一项研究发现一致：在那项研究中，研究人员指出以往所有关于该反应的计算中所使用的势能面模型存在一个偏差，该偏差导致对低温反应速率系数的明显低估。而采用改进后的势能面进行的计算结果，则与实验结果高度吻合。

由于HeH⁺与分子氢（H₂或HD）的浓度直接影响第一批恒星的冷却与形成过程，因此这项研究成果或将为揭示第一批恒星起源的谜团提供关键线索。

#参考来源：

https://www.mpi-hd.mpg.de/mpi/en/public-relations/news/news-item/chemistry-at-the-beginning

https://www.aanda.org/articles/aa/full_html/2025/07/aa55316-25/aa55316-25.html

#图片来源：

封面图&首图：William B. Latter (SIRTF Science Center/Caltech) and NASA/ESA