Ион HeH⁺: ключ к первым звездам Вселенной

Сразу после Большого взрыва Вселенная представляла собой раскаленную плазму, где царили экстремальные температуры и плотности. Однако уже через несколько секунд она начала стремительно остывать, что привело к образованию первых химических элементов — водорода и гелия. Но даже спустя сотни тысяч лет эти элементы оставались полностью ионизированными, пока Вселенная не охладилась достаточно для того, чтобы электроны смогли связаться с ядрами, образуя нейтральные атомы. Этот момент, известный как эпоха рекомбинации, открыл дорогу первым химическим реакциям и зарождению молекул.

Среди них самой древней считается ион гидрида гелия (HeH⁺) — простая, но невероятно важная молекула, возникшая при взаимодействии нейтрального гелия с ионизированным водородом. Именно она стала первым шагом на пути к образованию молекулярного водорода (H₂), который впоследствии сыграл ключевую роль в формировании первых звезд.

Несмотря на свою простоту, HeH⁺ долгое время оставался загадкой для ученых. Его роль в охлаждении первичного газа и образовании звезд была теоретически предсказана, но экспериментально подтвердить это удалось лишь недавно. Исследователи из Института ядерной физики Общества Макса Планка (MPIK) впервые воспроизвели условия ранней Вселенной и изучили реакцию HeH⁺ с дейтерием, открыв новые детали о химических процессах, которые привели к рождению первых светил.

Роль HeH⁺ в эволюции Вселенной

После рекомбинации Вселенная вошла в так называемый «темный век» — период, когда она была прозрачной, но еще не существовало ни звезд, ни галактик. В это время молекулы HeH⁺ и H₂ стали важнейшими агентами охлаждения. Чтобы газовые облака могли сжиматься и формировать звезды, они должны были эффективно избавляться от тепла. Атомы водорода справлялись с этой задачей лишь до определенного предела, но при температурах ниже 10 000 градусов Цельсия их эффективность резко падала.

Тут на сцену вышли молекулы. Благодаря своей способности излучать энергию не только за счет электронных переходов, но и за счет вращения и колебаний, они обеспечивали дальнейшее охлаждение. HeH⁺, обладающий выраженным дипольным моментом, оказался особенно эффективным в этом процессе. Однако его концентрация в ранней Вселенной зависела от скорости реакций с нейтральным водородом, которые ранее считались маловероятными при низких температурах.

Эксперимент, изменивший представления о ранней химии Вселенной

Чтобы проверить эти предположения, ученые из MPIK провели уникальный эксперимент на криогенном накопителе ионов (CSR). В условиях, приближенных к космическим (температура всего несколько кельвинов), они изучили реакцию HeH⁺ с дейтерием — изотопом водорода. Вместо ожидаемого замедления реакции при низких энергиях столкновений оказалось, что ее скорость остается практически постоянной.

Это открытие противоречило предыдущим теоретическим моделям, в которых допускалась ошибка в расчетах потенциальной поверхности взаимодействия. Новые квантово-химические расчеты, проведенные группой Йоханна Скрибано, подтвердили экспериментальные данные, показав, что реакции HeH⁺ с водородом и дейтерием были гораздо более значимыми, чем считалось ранее.

Результаты этого исследования имеют далеко идущие последствия для понимания эволюции ранней Вселенной. Поскольку HeH⁺ играл ключевую роль в охлаждении первичного газа, его более высокая реакционная способность означает, что образование молекулярного водорода (H₂ и HD) происходило эффективнее. Это, в свою очередь, ускоряло формирование первых звезд, положивших конец «темным векам» и зажегших свет в молодой Вселенной.

Таким образом, скромный ион HeH⁺, некогда бывший первой молекулой во Вселенной, продолжает помогать ученым раскрывать тайны космоса. Новые эксперименты и уточненные теоретические модели приближают нас к полной картине того, как из хаоса Большого взрыва возникли звезды, галактики и в конечном итоге — сама жизнь.