Откъде идва светлината в космоса? Първата молекула във Вселената се събуди, за да ни каже истината

Само от две прости частици (хелиев атом и протон) се е появила първата молекула в историята на космоса. Става дума за хелиевия хидрид (HeH⁺), който поставя началото на цялата химия във Вселената. От раждането си стотици хиляди години след Големия взрив тази частица дълго време е смятана за важна, но като цяло за инертна. Изследване на Института по ядрена физика „Макс Планк“ в Хайделберг обаче показва, че ролята ѝ в ранната еволюция на космоса трябва да бъде преразгледана.

Това може би ще промени разбирането за това как изобщо са се появили звездите.

Работата е извършена в уникална експериментална инсталация – Криогенен пръстен за съхранение (CSR), който е в състояние да възпроизведе условия, близки до тези, които са съществували след охлаждането на първичния плазмен океан. При температура само няколко градуса над абсолютната нула учените успяха да задържат йони във вакуум и да ги сблъскат с неутрални атоми – точно както се е случило в първите епохи от формирането на материята.

При такива условия изследователите за пръв път регистрираха как HeH⁺ взаимодейства с атоми на деутерий (тежък изотоп на водорода) при свръхниски температури. Очакваше се молекулата да стане практически неактивна при охлаждане по този начин, но наблюденията опровергаха тези очаквания: дори при условия, близки до температурния фон на ранната Вселена, HeH⁺ запазва висока реактивност.

Това беше сериозно предизвикателство към установените схващания. Досега се смяташе, че HeH⁺ играе само епизодична роля, участвайки в охлаждането на газовете и образуването на водород. Новите резултати обаче показват, че молекулата участва в обширна мрежа от реакции, които предизвикват образуването на звезди.

По време на „космическите тъмни векове“ материята е била твърде гореща и разредена, за да се свие в звезди. За да се предизвика термоядрен синтез, облаците от материя е трябвало да губят топлина. Но само водородът не може да излъчва енергия при температури под 10 000 °C. Полярни молекули като HeH⁺, които имат диполен момент и могат ефективно да охлаждат средата чрез инфрачервено излъчване, поеха тази задача.

Освен това HeH⁺ играе ключова роля в синтеза. Когато се сблъсква с атомен водород, той се разпада, образувайки йони, които след това участват в реакциите, водещи до молекулен водород (H₂) – основният „строителен материал“ на звездите. По този начин тази най-стара молекула е действала като активен катализатор в началото на цялата звездна материя.

В допълнение към експерименталните данни работата доведе до важно преразглеждане на теорията.

Заедно с Джоан Скрибано учените преизчислиха енергийната повърхност на взаимодействието на HeH⁺ с други частици – самият модел, по който се изчисляват вероятностите на реакциите. Оказало се, че предишните изчисления съдържат груба грешка, която подценява активността на молекулата. Отстраняването ѝ даде възможност да се синхронизират изчисленията с наблюденията и да се преразгледат много предишни заключения.

Сега HeH⁺ се счита за един от основните участници в ранната химична еволюция. Той вече не изглежда като случайно междинно стъпало, а вместо това се превръща в основен елемент, от който до голяма степен зависи произходът на първите звезди. Новите данни потвърждават, че Вселената е много по-сложна, отколкото предполагахме преди малко.

Това откритие показва, че дори най-старите елементи могат да крият непознати свойства. Стотици милиони години по-късно HeH⁺ все още има силата да промени разбирането ни за природата, а бързото развитие на квантовите изследвания открива нови хоризонти за подобни открития.