Ученые повысили в 20 раз оценку обилия древнейшей молекулы во Вселенной

Ученые провели новые измерения разрушения электронами молекулярного иона гидрида гелия HeH⁺ — самого раннего связанного состояния атомов во Вселенной — и выяснили, что они намного устойчивее, чем считалось раньше, а значит в эпоху появления первых звезд концентрация HeH⁺ была как минимум в 20 раз больше. Это может существенно повлиять на оценки охлаждения первичных облаков газа, а также требует переоценки роли молекулы в размытии реликтового излучения, пишут ученые в журнале Science.

В процессе первичного нуклеосинтеза образовались только различные изотопы водорода и гелия, а также небольшие количества лития. Этот набор элементов впоследствии смог образовать следующие молекулы: H₂, HD, HeH⁺ и LiH. Формирование первых молекул было важным событием в ранней Вселенной, так как столкновения между ними могут возбуждать вращательные степени свободы, энергия которых затем может излучаться в виде электромагнитных волн. Таким образом облако вещества может охлаждаться, что является необходимым условием возникновения звезд.

Эпоха формирования первых звезд остается практически недоступной наблюдениям. Лишь недавно появились первые работы, в которых высказываются предположения об интерпретации зафиксированных явлений при помощи светил в ранней Вселенной. Также не до конца известны и свойства самих первичных звезд: даже небольшая примесь металлов (то есть любых элементов тяжелее гелия по астрофизической терминологии) значительно меняет свойства плазмы, так как оторвать хотя бы один электрон от тяжелого атома проще, однако это делает его ионом и резко повышает сечение взаимодействия с фотонами. Существуют модели, в которых первичные звезды обладали колоссальными массами в тысячи солнечных, но проверить на данный момент это невозможно.

Ключевым фактором охлаждения газовых облаков посредством излучения, и, следовательно, одним из важнейших для звездообразования, являются дипольные моменты молекул. Момент очень распространенной молекулы водорода H₂ равен нулю в случае обычных изотопов и мал в случае молекулы из протия и дейтерия — он составляет всего 0,00083 дебая (несистемная единица измерения дипольного момента). В то же время дипольный момент достаточно велик у других соединений, которые могли образоваться в ранней Вселенной: 1,66 у HeH⁺, 0,9 у HD⁺ и 5,98 у LiH. Однако так как дейтерия в среднем в 10 тысяч раз, а лития в 100 миллионов раз меньше, чем гелия, то именно гидрид гелия мог быть основной молекулой, обеспечившей охлаждение первичного газа.

В работе ученых из Германии, России и Израиля описываются новые точные измерения диссоциативной рекомбинации HeH⁺ — одного из основных каналов разрушения молекул в астрофизических условиях. В «темные века» истории Вселенной этот процесс должен быть самым главным, так как до появления звезд и квазаров отсутствовало излучение с достаточной для разрушения молекул энергией.

Авторы проводили измерения с ионами гидрида гелия, движущимися по кольцу при температуре в 6 кельвинов, в то время как ранее подобные исследования проводились только при комнатной температуре. На одном из прямолинейных участков траектории в трубу к ионам добавлялись электроны, причем относительной скоростью частиц можно было управлять, моделируя взаимодействие на разных энергиях. Вероятность столкновений и диссоциации молекул определялась по количеству регистрируемых атомов водорода и гелия.

«Мы обнаружили, что вероятность электронной рекомбинации для низшего вращательного состояния HeH

оказывается примерно в 80 раз ниже, чем указано в современных справочниках, — говорит ведущий авторы работы Олдрич Новотный (Oldřich Novotný) из Института ядерной физики Общества Макса Планка. — Это разительная разница в основном связана с пониженной температурой, использованной в наших экспериментах. Результаты соответствуют гораздо большей концентрации этой первичной молекулы во время формирования первых звезд и галактик».

По оценкам ученых, на красном смещении около 15, когда и должны были зажигаться первые звезды, гидрида гелия на самом деле должно было быть по крайней мере в 20 раз больше, чем считалось ранее. Помимо участия в охлаждении газа для формирования первых звезд, столь высокие концентрации могли заметно повлиять на распространение реликтового излучения по ранней Вселенной, что необходимо учитывать в анализе этого космологического сигнала. Авторы заключают, что полученные данные показывают сильную зависимость свойств небольших молекул от температуры, а подробные исследования таких соединений исключительно важны в контексте скорого запуска космического телескопа «Джеймс Вебб», который в том числе будет искать первые звезды и квазары.

Ранее существование гидрида гелия в космическом пространстве удалось доказать после долгих поисков. Также астрономы недавно смогли найти в межзвездном пространстве первую хиральную молекулу. Химия в космосе может сильно отклоняться от хорошо установленных на Земле закономерностей, в чем недавно убедились ученые, обнаружив зависимость активности кислоты от порядка добавления веществ.