Астрофизики увидели в космосе первую молекулу Вселенной

Астрофизики доказали наличие молекулярных ионов HeH⁺ в космическом пространстве. Теория предсказывает, что это соединение было первым связанным состоянием атомов во Вселенной. Несмотря на лабораторное подтверждение существования таких молекул еще в 1925 году, их так и не удавалось обнаружить в космосе. При помощи спектроскопических наблюдений в терагерцовом диапазоне молекулу впервые удалось зафиксировать в планетарной туманности NGC 7027, пишут авторы в журнале Nature. Обнаруженное соединение не является реликтом Большого взрыва, а заново образовалось при подходящих условиях в современной Вселенной.

Согласно теории горячего Большого взрыва, примерно между 10 секундами и 20 минутами от появления нашей Вселенной протекал процесс первичного нуклеосинтеза, в течение которого образовались все составные ядра. По массе первичное вещество состояло на 75 процентов из водорода, на 25 процентов — из гелия-4, и примерно по 0,01 процента приходилось на дейтерий и гелий-3, также присутствовали следовые количества лития. Однако в это время температура была слишком велика для образования атомов или молекул, поэтому вся материя находилась в состоянии плазмы.

Когда температура упала до примерно 4000 кельвинов, начали образовываться первые нейтральные атомы, причем из-за бо́льшего потенциала ионизации первыми с электронами стали объединяться ядра гелия. Затем появились условия для появления первой молекулы — гидрида гелия HeH⁺, — которая образовалась из нейтрального атома гелия и иона водорода. Соединение обладает исключительно высокой химической активностью и наименьшим известным сродством к протону — выделяющейся при присоединении этой частицы энергией. На основе этого параметра можно оценить степень кислотности соединения, которая в данном случае оказывается беспрецедентно высокой, а значит, гидрид гелия должен быть наиболее сильной известной кислотой. Вещество появилось еще до рекомбинации водорода, то есть до перехода преобладающей доли вещества в прозрачное состояние, отщепления света от материи и появления реликтового излучения.

Последующее охлаждение Вселенной и образование нейтрального водорода привело к разрушению гидрида гелия, так как он вступает в реакцию с любыми нейтральными молекулами или атомами. Таким образом получились ионы молекулы водорода H₂⁺, одной из основных форм материи в текущую эпоху. Несмотря на столь большую значимость в химической эволюции Вселенной, HeH⁺ не удавалось обнаружить в космическом пространстве. В лаборатории данное вещество было получено еще в 1925 году, но лишь в 70-х годах ученые начали всерьез рассматривать возможность существования соединения в доступной для непосредственного наблюдения плазме.

В работе под руководством Рольфа Гюстена (Rolf Güsten) из Института радиоастрономии Общества Макса Планка описаны спектроскопические наблюдения в терагерцовом диапазоне, в которых была обнаружена наиболее сильная линия излучения гидрида гелия на длине волны 0,149 миллиметров. Атмосфера Земли непрозрачна для такого излучения, поэтому для сбора данных была задействована инфракрасная обсерватория SOFIA, расположенная на самолете «Боинг 747SP».

Астрофизические модели предсказывали, что наилучшим местом для поиска HeH⁺ являются планетарные туманности, то есть протяженные газовые оболочки, сбрасываемые похожими на Солнце звездами в процессе превращения в белого карлика. В таком случае интенсивное излучение горячей компактной звезды будет ионизировать все вещество в близкой окрестности, что создаст благоприятные условия для длительного существования гидрида гелия, которые в ином случае сразу бы прореагировал с любой молекулой или атомом. Именно там соединение и нашли — в планетарной туманности NGC 7027.

«Открытие HeH⁺ является волнующей и красивой демонстрацией стремления природы формировать молекулы, — говорит соавтор работы Дэвид Ньюфелд (David Neufeld) из Университета Джонса Хопкинса. — Несмотря на малообещающие доступные ингредиенты — смесь водорода и инертного благородного газа гелия — и агрессивную среду с температурой в тысячи градусов, хрупкая молекула все-таки образуется. Стоит отметить, что это явление не только можно наблюдать астрономическими методами, но и понять с использованием теоретических моделей».

Обнаруженное соединение не является реликтом Большого взрыва, а заново образовалось при подходящих условиях в современной Вселенной. Тем не менее, его регистрация указывает на правильное понимание космической химии в том числе ранних эпох. В дальнейшем авторы намерены воспользоваться более чувствительными приборами, такими как массив антенн ALMA, для поиска сигнала данной молекулы в далеких галактиках ранней Вселенной.

Спектроскопические методы являются основой поисков разнообразных веществ вдали от Земли, что мы подробно описывали в тексте «Космическая химия». Гелий как химический элемент был сперва открыт как набор линий излучения в спектре Солнца и лишь спустя 27 лет его непосредственно выделили на Земле.