|
Химия повлияла на формирование первых звезд
|
|
|
|
Сразу после Большого взрыва, который произошел около 13,8 миллиардов лет назад, во Вселенной преобладали невообразимо высокие температуры и плотности. Однако всего через несколько секунд она остыла настолько, что образовались первые элементы, в первую очередь водород и гелий. На тот момент они все еще были полностью ионизированы, поскольку потребовалось почти 380 000 лет, чтобы температура во Вселенной понизилась настолько, чтобы нейтральные атомы могли образоваться путем рекомбинации со свободными электронами. Это проложило путь к первым химическим реакциям.
|
|
|
|
Самой старой из существующих молекул является ион гидрида гелия (HeH+), образованный из нейтрального атома гелия и ионизированного ядра водорода. Это знаменует начало цепной реакции, которая приводит к образованию молекулярного водорода (H2), который на сегодняшний день является самой распространенной молекулой во Вселенной.
|
|
|
|
За рекомбинацией последовал "темный век" космологии: хотя Вселенная стала прозрачной благодаря связыванию свободных электронов, светоизлучающих объектов, таких как звезды, по-прежнему не существовало. Прошло несколько сотен миллионов лет, прежде чем образовались первые звезды.
|
|
|
|
Однако на этом раннем этапе развития Вселенной такие простые молекулы, как HeH+ и H2, были необходимы для образования первых звезд. Для того чтобы сжавшееся газовое облако протозвезды сжалось до состояния, при котором может начаться ядерный синтез, необходимо рассеять тепло. Это происходит в результате столкновений, которые возбуждают атомы и молекулы, которые затем излучают эту энергию в виде фотонов.
|
|
|
|
|
|
|
Однако при температуре ниже 10 000 градусов Цельсия этот процесс становится неэффективным для доминирующих атомов водорода. Дальнейшее охлаждение может происходить только с помощью молекул, которые могут выделять дополнительную энергию за счет вращения и вибрации.
|
|
|
|
Благодаря своему ярко выраженному дипольному моменту ион HeH+ особенно эффективен при таких низких температурах и долгое время считался потенциально важным кандидатом на охлаждение при формировании первых звезд. Следовательно, концентрация ионов гидрида гелия во Вселенной может существенно влиять на эффективность раннего звездообразования.
|
|
|
|
В течение этого периода столкновения со свободными атомами водорода были основным путем распада HeH+, в результате чего образовались нейтральный атом гелия и ион H2+. Впоследствии они вступили в реакцию с другим атомом H2, образовав нейтральную молекулу H2 и протон, что привело к образованию молекулярного водорода.
|
|
|
|
Исследователи из Института ядерной физики имени Макса Планка (MPIK) в Гейдельберге впервые успешно воссоздали эту реакцию в условиях, аналогичных тем, которые существовали в ранней Вселенной. Они исследовали реакцию HeH+ с дейтерием, изотопом водорода, содержащим дополнительный нейтрон в атомном ядре наряду с протоном. Когда HeH+ вступает в реакцию с дейтерием, вместо H2+, рядом с нейтральным атомом гелия, образуется ион HD+. Исследование опубликовано в журнале Astronomy & Astrophysics.
|
|
|
|
Эксперимент проводился в криогенном хранилище (CSR) в MPIK в Гейдельберге — уникальном в мировом масштабе приборе для исследования молекулярных и атомных реакций в условиях, подобных космическим. Для этого ионы HeH+ хранились в кольце для хранения ионов диаметром 35 метров в течение 60 секунд при температуре в несколько градусов Кельвина (-267°C) и были наложены пучком нейтральных атомов дейтерия. Регулируя относительные скорости двух пучков частиц, ученые смогли изучить, как скорость столкновения меняется в зависимости от энергии столкновения, которая напрямую связана с температурой.
|
|
|
|
Они обнаружили, что, вопреки более ранним предсказаниям, скорость, с которой протекает эта реакция, не замедляется с понижением температуры, а остается практически постоянной. "Предыдущие теории предсказывали значительное снижение вероятности реакции при низких температурах, но мы не смогли проверить это ни в эксперименте, ни в новых теоретических расчетах наших коллег", - объясняет доктор Хольгер Крекель из MPIK. "Таким образом, реакции HeH+ с нейтральным водородом и дейтерием, по-видимому, были гораздо более важными для химии ранней Вселенной, чем предполагалось ранее".
|
|
|
|
Это наблюдение согласуется с выводами группы физиков-теоретиков под руководством Йоханна Скрибано, которые выявили ошибку в расчете потенциальной поверхности, использовавшейся во всех предыдущих расчетах для этой реакции. Новые расчеты с использованием улучшенной потенциальной поверхности теперь тесно связаны с экспериментом CSR.
|
|
|
|
Поскольку концентрации таких молекул, как HeH+ и молекулярный водород (H2 или HD), сыграли важную роль в формировании первых звезд, этот результат приближает нас к разгадке тайны их образования.
|
|
|
|
Источник
|
