最古老的分子，顛覆理論預期

宇宙中最早的分子

我們的宇宙誕生于大約138億年前，在最初的時刻，宇宙擁有著難以想象的高溫。

但僅僅在幾秒后，它便冷卻到足以形成第一批元素，主要是氫和氦，以及少量的鋰。這些元素在開始的時候是完全電離的，直到大約38萬年后，宇宙的溫度才下降到允許讓自由電子與原子核結(jié)合，形成中性原子。這為第一批化學反應的發(fā)生鋪平了道路。

在所有形成的分子中，氦合氫離子（HeH?）是目前已知最早出現(xiàn)的，它由一個中性的氦（He）原子與一個電離的氫核（質(zhì)子）結(jié)合而成。HeH?的形成開啟了一系列化學反應，最終導致宇宙中最常見的分子——分子氫（H?）的形成。

在一項新發(fā)表于《天文學與天體物理學》雜志的研究中，一個研究團隊探索了HeH?與氘原子的化學反應，揭示了違背理論預期的結(jié)果。這項研究拓展了我們對早期宇宙化學反應過程的理解，并對揭示第一批恒星的形成機制具有重要意義。

宇宙早期的關鍵冷卻劑

在宇宙早期階段，像HeH?和H?這樣的簡單分子對第一批恒星的形成至關重要。為了使原恒星的氣體云持續(xù)坍縮到足以啟動核聚變的程度，必須有效地釋放熱量，否則氣體壓力會抵消引力，阻止恒星形成。這種熱量的釋放通常通過原子和分子的碰撞激發(fā)實現(xiàn)，隨后它們以光子的形式輻射出這些能量。

在溫度低于10,000開爾文時，所有輕元素原子的能級間距過大，無法通過光子發(fā)射實現(xiàn)所需的冷卻，從而不足以支撐原初原恒星的進一步坍縮。此時，進一步的冷卻只能依靠那些能夠通過轉(zhuǎn)動與振動釋放額外能量的分子來實現(xiàn)。

HeH?擁有顯著的偶極矩，能在低溫環(huán)境下特別高效地輻射能量，因而長期以來被認為是第一批恒星形成中的一種重要“冷卻劑”。因此，HeH?在宇宙中的濃度可能對恒星形成效率產(chǎn)生重大影響。

在那個時期，HeH?與自由氫原子的碰撞，是HeH?的一種主要降解途徑。這一反應會生成一個中性氦原子與一個H??離子。而H??離子會進一步與另一個氫原子反應，生成一個中性的氫分子和一個質(zhì)子，最終促成H?的形成。

挑戰(zhàn)理論預期的實驗結(jié)果

在新的研究中，研究人員首次在近似早期宇宙的條件下，成功重現(xiàn)了這一反應——不過，他們研究的是HeH?與氘（D）原子的反應。氘是氫的同位素，其原子核中除了一個質(zhì)子，還含有一個中子。當HeH?與氘發(fā)生反應時，會生成HD?和一個中性氦原子——類似于早期宇宙中HeH?與氫反應的過程。

之所以選擇研究HeH?與氘原子之間的反應，而非與氫原子的反應，是因為在實驗中，HD?的背景噪聲更低，因此作為產(chǎn)物更容易被檢測出來；相比之下，H??的檢測容易受干擾。不過，由于這兩種反應共用相同的勢能面，因此研究結(jié)果對氫也適用。

這個實驗是在一個低溫存儲環(huán)（CSR）上進行的。CSR是一個靜電存儲環(huán)，環(huán)形軌道的周長為35.2米。在低溫運行條件下，存儲環(huán)內(nèi)層可以維持在約6開爾文（-267°C）的極低溫度。

在實驗中，研究人員將大約4 × 10?個HeH?離子注入存儲環(huán)中，并將其存儲在環(huán)中長達60秒。在存儲期間，HeH?離子經(jīng)歷輻射致冷，迅速釋放能量并失去大部分內(nèi)部激發(fā)態(tài)。理論計算表明，僅在存儲5秒之后，這些離子就會處于兩個最低的轉(zhuǎn)動態(tài)。

與此同時，一束中性的氘原子束穿過儲存環(huán)的直線注入段，與存儲的HeH?離子束疊加。通過調(diào)節(jié)兩束粒子的相對速度，研究人員得以精確測量碰撞速率如何隨碰撞能量（與溫度直接相關）變化。

HeH?與D之間反應的反應路徑與能級示意圖。與早期理論預測相反，該反應在無勢壘條件下迅速發(fā)生。背景圖為行星狀星云NGC 7027，其中紅色區(qū)域顯示的是分子氫。

早先的理論模型預測，在低溫下，反應速率應該會顯著下降。但令人驚訝的是，與早期理論預測的不同，實驗結(jié)果顯示該反應速率在低溫下幾乎保持不變。

為第一批恒星起源提供重要線索

這樣的實驗結(jié)果表明，HeH?與中性氫和氘之間的反應在早期宇宙化學中的重要性，可能遠高于以往的預期。

這一實驗結(jié)果與此前的另一項研究發(fā)現(xiàn)一致：在那項研究中，研究人員指出以往所有關于該反應的計算中所使用的勢能面模型存在一個偏差，該偏差導致對低溫反應速率系數(shù)的明顯低估。而采用改進后的勢能面進行的計算結(jié)果，則與實驗結(jié)果高度吻合。

由于HeH?與分子氫（H?或HD）的濃度直接影響第一批恒星的冷卻與形成過程，因此這項研究成果或?qū)榻沂镜谝慌阈瞧鹪吹闹i團提供關鍵線索。

#參考來源：

https://www.mpi-hd.mpg.de/mpi/en/public-relations/news/news-item/chemistry-at-the-beginning

https://www.aanda.org/articles/aa/full_html/2025/07/aa55316-25/aa55316-25.html

#圖片來源：

封面圖&首圖：William B. Latter (SIRTF Science Center/Caltech) and NASA/ESA