找寻宇宙中最古老的分子

原文标题：Astronomers Find Universe’s First Molecule
作者：Monica Young 原文来自：SkyandTelescope.comPosted: 2019. 4. 17
编译：Melipal 审校：Linq

在数十年的搜寻之后，天文学家确切地探测到了氢化氦——形成于宇宙早期的最古老分子。
一个天文学研究小组以及一座飞行在高空中的天文台最终在邻近的星际空间中找到了氢化氦离子——宇宙中最早形成的分子。

在4月18日的《自然》杂志上，来自德国马普射电天文所的罗尔夫·古斯腾（Rolf Güsten）写道：“本文报告的确切探测终于圆满回答了一道持续数十年之久的谜题。” 氢化氦离子（HeH+）。图片提供：NIESYTOdesign
在宇宙尚处婴儿期的时候，其中的物质和辐射汤温度极高，不允许构成当今我们周围世界的原子或分子的形成。只有当宇宙年龄达到大约38万年，变得足够冷却之后，质子和中子才得以结合起来形成原子。（哪怕此时，宇宙的温度仍是极热的4000 K，只比太阳的可见表面温度低一些。）随后原子彼此结合，形成了分子。
创世之始

考虑宇宙此时主要由氢和氦元素组成，宇宙中最早的原子是氢化氦离子（HeH+）可能并不太让人吃惊。好吧，可能有点让人吃惊：氦是一种“惰性”气体，其化学性质臭名昭著地不甚活跃。用物理的语言来说，氦的电离能（也就是移除一个电子所需的能量）是所有元素中最高的，因此让它与另一个原子结合并不容易。
实际上，哪怕在条件特殊的早期宇宙中，这种离子存活的时间也不长。但它却扮演了一个短暂却重要的角色——氢化氦的解体带来了分子氢（H2）的诞生，最终后者弥漫到了各个星系之中，形成了第一代恒星。因此氢化氦的存在是了解早期宇宙化学演化的关键。
然而多年以来，天文学家尝试探测氢化氦的存在，但都失败了。这种成分最早于1925年在实验室中被合成，由于其脆弱性，它们一般在宇宙中非常少见。1970年，天文学家认识到，我们可能能够在新形成的等离子体中发现该分子的踪迹。一项研究观测了一个遥远的类星体，另一项则瞄准了邻近的超新星1987A，但它们都没能实现确切的探测。
再现早期宇宙中的环境
氢化氦可能大量形成的一类区域是在业已坍缩为白矮星的类太阳低质量恒星周围。在坍缩过程中，恒星会在壮丽的爆发（行星状星云）中吹出其外围的包层，而白矮星及其周边气体的相互作用为氢化氦的长期存在（进而被探测）再造了条件
为了考察花生状行星状星云NGC 7207的情况，古斯腾与同事搭乘由波音747改装而来的同温层红外天文台（SOFIA）飞向天空。SOFIA在吸收红外线的低层大气之上飞行。星云中央的新生白矮星年龄只有600年，温度炽热依然（19万K）。它向周边倾泄着紫外辐射，将氢和氦原子周边的电子剥离掉。电离氦占据的球形区域较电离氢氦共存的区域稍大，就在这一薄薄的壳层内，电离氦可以与中性氢结合，产生氢化氦离子。

古斯腾与同事使用德国太赫兹天文接收机（GREAT）仪器，在149.137微米的波长上确切探测到了氢化氦发出的辐射。这一发现不仅证实了HeH+的存在，还探测到了该分子形成和摧毁的过程（以及速率）。 图片提供：合成图：NIESYTOdesign；NGC7207：WilliamB.Latter(SIRTFScienceCenter/Caltech)andNASA/ESA;Spectrum:RolfGüsten/MPIfR(Nature,April18,2019)
宇宙中的化学过程始于这种离子。现在，天文学家可以松一口气了，因为至少我们了解了早期宇宙化学演化的一小部分。
（全文完）