Учёные MPIK воспроизвели условия ранней Вселенной в лаборатории

Сразу после грандиозного события, положившего начало нашей Вселенной около 13,8 миллиарда лет назад, пространство было заполнено экстремально высокими температурами и плотностью материи.

Однако уже спустя считанные секунды условия изменились настолько, что начали формироваться первые химические элементы, преимущественно водород и гелий. На тот момент они существовали в виде ионизированных частиц, и лишь спустя почти 400 тысяч лет температура упала до уровня, позволившего электронам соединиться с ядрами, образуя нейтральные атомы. Этот процесс, известный как рекомбинация, стал отправной точкой для зарождения химических взаимодействий.

Одной из первых молекул, появившихся в те времена, считается гидрид-ион гелия (HeH⁺), который возник при соединении нейтрального атома гелия с ионизированным ядром водорода. Этот процесс запустил цепочку реакций, приведших к появлению молекулярного водорода (H2), который и по сей день остаётся наиболее распространённым соединением в космосе.

После этого этапа наступил период, который в науке называют "тёмными веками" космоса. Вселенная стала прозрачной благодаря исчезновению свободных электронов, но в ней ещё отсутствовали объекты, способные излучать свет, такие как звёзды. Лишь спустя сотни миллионов лет начали формироваться первые светила.

На ранних стадиях эволюции космоса простые молекулы, такие как HeH⁺ и H2, сыграли ключевую роль в процессе зарождения звёзд. Чтобы газовые облака, из которых формировались протозвёзды, могли сжаться до состояния, необходимого для запуска ядерного синтеза, требовалось эффективно отводить тепло.

Этот процесс происходил благодаря столкновениям частиц, которые возбуждали атомы и молекулы, а те, в свою очередь, излучали накопленную энергию в виде фотонов. Однако при температурах ниже 10 000 °C атомы водорода переставали эффективно справляться с этой задачей. Дальнейшее охлаждение стало возможным только благодаря молекулам, которые могли выделять энергию через вращение и колебания. Особенно важную роль в этом процессе играл ион HeH⁺, обладающий сильным дипольным моментом, что делало его идеальным "охладителем" в условиях низких температур. Таким образом, количество таких ионов в ранней Вселенной могло существенно повлиять на скорость и эффективность формирования первых звёзд.

В те времена основным фактором, разрушавшим молекулы HeH⁺, были столкновения с атомами свободного водорода. В результате таких взаимодействий возникали нейтральный гелий и ион H2⁺, который затем вступал в реакцию с ещё одним атомом водорода, образуя молекулу H2 и протон. Так формировался молекулярный водород, ставший важным строительным материалом для звёзд.

Специалисты из Института ядерной физики в Гейдельберге впервые смогли воссоздать подобные процессы в лабораторных условиях, максимально приближенных к тем, что существовали в ранней Вселенной. В ходе эксперимента они исследовали взаимодействие HeH⁺ с дейтерием — разновидностью водорода, ядро которого содержит дополнительный нейтрон. В результате этой реакции вместо H2⁺ образовывался ион HD⁺ и нейтральный гелий.

Для проведения опыта использовалось уникальное оборудование — криогенное накопительное кольцо, расположенное в Гейдельберге.

Этот прибор, не имеющий аналогов в мире, позволяет изучать реакции между молекулами и атомами в условиях, близких к космическим. Ионы HeH⁺ удерживались в кольце диаметром 35 метров в течение минуты при температуре, близкой к -267 °C, и подвергались воздействию пучка атомов дейтерия. Изменяя скорость движения частиц, исследователи смогли определить, как частота столкновений зависит от энергии, которая, в свою очередь, связана с температурой.

Результаты эксперимента удивили научное сообщество. Оказалось, что скорость реакции не уменьшается при понижении температуры, как предсказывали более ранние модели, а остаётся практически постоянной. Один из участников исследования отметил, что предыдущие расчёты указывали на значительное снижение вероятности реакции в условиях низких температур, однако ни эксперимент, ни новые теоретические вычисления не подтвердили эти предположения.

Он добавил, что реакции HeH⁺ с водородом и дейтерием, вероятно, играли гораздо более значимую роль в химических процессах ранней Вселенной, чем считалось ранее. Эти выводы также нашли подтверждение в работе группы теоретиков, которые обнаружили ошибку в прежних расчётах, связанных с потенциальной поверхностью реакции. Исправленные модели теперь полностью соответствуют экспериментальным данным.

Поскольку такие молекулы, как HeH⁺ и молекулярный водород, были важными участниками процесса формирования первых звёзд, новые данные помогают лучше понять, как зарождались светила в далёком прошлом Вселенной.

Уточнения

Мате́рия — философское понятие, которое обычно означает нечто, что формирует окружающую реальность, из чего образовано всё существующее в мире.