Учени пресъздадоха първата химическа реакция във Вселената: какво се е случило преди 13,8 милиарда години

Проучването показва, че реакциите на хелиев хидрид с неутрален водород и деутерий са били много по-важни за химията на ранната Вселена, отколкото се е смятало досега.

Учените са успели да пресъздадат ключови химични реакции, протичали в най-ранните моменти на Вселената. Те са получили невероятни резултати, които ще помогнат да се разбере как са се образували първите звезди. Изследването е публикувано в списание Astronomy & Astrophysics, пише SciTechDaily.

Какво се е случило в първите секунди след Големия взрив?

В първите моменти след Големия взрив преди 13,8 милиарда години, Вселената е била много плътно и горещо място. Само за няколко секунди Вселената се охлажда леко, позволявайки на субатомните частици да се комбинират, за да образуват първите химични елементи — водород и хелий. По това време електроните все още не са били свързани с ядрата на атомите. Едва 380 000 години по-късно Вселената се охлажда достатъчно, за да позволи образуването на неутрални атоми. Този процес, известен като рекомбинация, позволява на електроните да се прикрепят към ядрата на атомите, което става основа за първите химични реакции.

Една от най-ранните химични реакции е образуването на хелиевия хидриден йон (HeH+), който се счита за първата молекула в историята на Вселената. Тази молекула се е образувала, когато неутрален хелиев атом се е комбинирал с положително зареденото ядро на водороден атом. Образуването на молекулата е задействало химични реакции, довели до образуването на молекулен водород (H2) — най-разпространената молекула във Вселената.

След рекомбинацията, Вселената навлиза в период, известен като космически тъмни векове. През това време пространството става прозрачно, защото свободните електрони вече са свързани с атомите, но звезди и други източници на светлина все още не се са се появили. Едва няколкостотин милиона години по-късно първите звезди осветяват космоса.

Създаването на първите звезди във Вселената

В ранната вселена, прости молекули като HeH+ и H2 са играли решаваща роля във формирането на първите звезди. За да може газов облак да се свие под действието на гравитацията достатъчно, за да предизвика ядрен синтез в ядрото на бъдеща звезда, топлината трябва да се разсее. Това се случва чрез сблъсъци, които възбуждат атоми и молекули, които след това освобождават енергия във вид на фотони. Но под около 10 000 градуса по Целзий този процес става неефективен поради преобладаването на водородни атоми.

По-нататъшно охлаждане може да се осъществи само чрез молекули, които са способни да освобождават допълнителна енергия чрез въртене и вибрации. Поради своя диполен момент, йонът HeH+ е особено ефективен при такива ниски температури и отдавна се смята за потенциално важен кандидат за ролята на охлаждащ агент при образуването на първите звезди. Това означава, че концентрацията на хелиеви хидридни йони във Вселената може значително да повлияе върху ефективността на образуването на първите звезди.

През този период, сблъсъците със свободни водородни атоми са основният път на разпад на HeH+, произвеждайки неутрален хелиев атом и H2+ йон. След това те реагират с друг водороден атом, за да образуват неутрална молекула H2 и протон, което води до образуването на молекулен водород.

Учени са възпроизвели първата химическа реакция във Вселената

Сега, за първи път, учените успешно възпроизведоха тази химическа реакция при условия, близки до тези от ранната Вселена. Те изследваха реакцията на HeH+ с деутерий — изотоп на водорода, който съдържа допълнителен неутрон в ядрото на атома, заедно с протон. Когато HeH+ реагира с деутерий, вместо H2+ се образува йон HD+ заедно с неутрален атом на хелий.

Учените са успели да проучат как скоростта на сблъсъка се променя с неговата енергия, която е пряко свързана с температурата. Открито е, че противно на предишните предположения, скоростта на тази реакция не се забавя с понижаване на температурата, а остава практически постоянна.

Авторите на изследването твърдят, че по-рано е било предвидено значително намаляване на вероятността от химични реакции при ниски температури, но учените не са успели да потвърдят това. По този начин реакциите на HeH+ с неутрален водород и деутерий са били много по-важни за химията на ранната Вселена, отколкото се е смятало досега.