关于宇宙第一个分子的新发现揭示了早期恒星形成的更大作用

宇宙中的第一个分子再次让我们感到惊讶。

在一项可能重写我们对第一颗恒星形成理解的发现中，海德堡马克斯·普朗克核物理研究所（MPIK）的研究人员揭示了氦氢化物（HeH⁺）的意外行为，这是一种已知的宇宙中最早的分子。

与长期以来的预测相反，HeH⁺在极低温度下仍然保持化学反应性：这些条件模拟了早期宇宙的状态。

为了测试这个古老分子在大爆炸后是如何表现的，研究人员在海德堡的低温储存环（CSR）重现了早期宇宙的条件。

CSR是世界上唯一的此类设施，模拟的环境与绝对零度仅相差几度。

通过将储存的 HeH⁺ 离子与中性氘原子束碰撞，研究团队首次观察到了该分子在超冷温度下的反应速率。

HeH⁺ 是在大爆炸后不久形成的，它是由一个氦原子和一个质子组成的简单分子。它标志着宇宙中化学键合的开始，并为分子氢 (H₂) 奠定了基础，后者是驱动恒星的燃料。

几十年来，人们一直认为 HeH⁺ 在使原恒星凝聚和点燃的冷却过程中扮演着被动角色。但新的实验结果挑战了这一叙述。

改变一切的分子

研究人员发现，随着温度的降低，HeH⁺ 和氘之间的反应并没有减缓，反而保持了惊人的恒定。这与早期模型相矛盾，后者预测在低温下反应性会急剧下降。

“之前的理论预测在低温下反应概率会显著降低，但我们在实验或同事的新理论计算中都无法验证这一点，”MPIK的霍尔格·克雷克尔博士说。

这很重要，因为在年轻的宇宙中，在星星开始发光之前的所谓“宇宙黑暗时代”，像HeH⁺这样的分子在冷却原始气体中发挥了关键作用。

有效的冷却对于气体云在引力作用下坍缩并形成星星是必要的。

由于氢原子在低于10,000°C时无法有效释放热量，像HeH⁺这样的具有偶极矩的分子对于通过辐射散发能量至关重要。

HeH⁺ 还通过与氢原子的碰撞降解，产生的离子最终导致分子氢的形成。

这一反应链对恒星形成至关重要，新的发现表明 HeH⁺ 在这一化学反应中的活跃程度远超之前的想法。

重新思考恒星形成化学

MPIK 团队的结果还揭示了旧理论模型中的缺陷。与理论物理学家 Yohann Scribano 合作，研究人员发现了用于预测 HeH⁺ 行为的势能面中的一个长期错误。

修正这一势能面使得模拟与实验数据一致，深化了我们对早期宇宙化学的理解。

这些发现与补充的理论研究一起发表，将HeH⁺重新框定为恒星形成中的核心角色，而不是一个被动的旁观者。“

因此，HeH⁺与中性 氢 和氘的反应似乎比之前假设的要重要得多……”Kreckel补充道。

作为宇宙中最古老的分子，HeH⁺提醒我们，最早的化学仍然蕴藏着跨越时间和空间的秘密。

该研究已发表在期刊 天文学与天体物理学上。