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. В результате, 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 cтоль 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. 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. 

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.