Ученые нашли первую молекулу во Вселенной

Более 13 миллиардов лет назад, Вселенная была недифференцированным «супом» из трех простых одноатомных элементов. Первые звезды не будут образовываться в ней еще в течение 100 миллионов лет.

Но уже через 100 000 лет после Большого взрыва появилась самая первая молекула, невероятное соединение гелия и водорода, известное как ион гидрида гелия, или HeH⁺.

«Это было начало химии», — говорит Дэвид Нойфельд, профессор Университета Джона Хопкинса и соавтор исследования, опубликованного в среду, подробно рассказывающего, как — после многолетних поисков — ученые наконец обнаружили неуловимую молекулу в космосе.

Формирование HeH⁺ было первым шагом на пути усложнения Вселенной, столь же значительного, как и переход от одноклеточной к многоклеточной жизни на Земле. Теоретические модели давно убедили астрофизиков, что молекула HeH⁺ появилась первой, а затем стали появляться все более сложные и тяжелые соединения.

Молекула HeH⁺ изучалась в лаборатории еще в 1925 году. Но обнаружить HeH⁺ в ее естественной среде существования оказывалось до сих пор невозможным.

«Отсутствие убедительных доказательств ее существования в межзвездном пространстве уже давно является проблеммой для астрономии», — сказал ведущий автор исследования Рольф Густен, ученый из Института радиоастрономии им. Макса Планка в Бонне. Но исследователи знали, где искать.

Уже в 1970-х годах некоторые модели предполагали, что HeH⁺ должна существовать в значительных количествах в светящихся газах, выбрасываемых умирающими солнцеподобными звездами, что создает условия, подобные тем, которые были обнаружены в ранней Вселенной.

Проблема заключалась в том, что электромагнитные волны, испускаемые молекулой, находились в дальнем инфракрасном диапазоне и подавлялись атмосферой Земли, и, следовательно, их нельзя было обнаружить с поверхности планеты.

Таким образом, НАСА и Немецкий аэрокосмический центр объединили свои усилия для создания воздушной обсерватории с тремя основными компонентами: массивным 2,7-метровым телескопом, инфракрасным спектрометром и Boeing 747, на котором была установлена научная аппаратура.

Находясь на высоте около 14 000 метров, Стратосферная обсерватория по инфракрасной астрономии, или SOFIA, избежала 85 процентов атмосферного «шума» наземных телескопов.

Данные серии наблюдений из трех полетов в мае 2016 года содержали молекулярные доказательства, которые ученые долго искали, исходящие из планетарной туманности NGC 7027 на расстоянии около 3000 световых лет.

«Открытие HeH⁺ является драматической и прекрасной демонстрацией стремления Природы образовывать молекулы», — сказал Дэвид Нойфельд.

В этом случае образование произошло, несмотря на неблагоприятные обстоятельства. Хотя температура в молодой Вселенной после Большого взрыва быстро падала, она все еще находилась в районе 4000 градусов по Цельсию — враждебной среды для молекулярных связей.

Более того, гелий — «благородный» газ — имеет очень низкую склонность к образованию формообразующих молекул. Это соединение с ионизированным водородом было хрупким и не сохранялось очень долго, его заменяли более прочные и сложные молекулярные связи.

Более тяжелые элементы, такие как углерод, кислород и азот — и многие молекулы, которые они породили, — были образованы позднее еще в результате ядерных реакций внутри звезд.

Rolf Güsten et al. Astrophysical detection of the helium hydride ion HeH⁺, Nature (2019). DOI: 10.1038/s41586-019-1090-x