Обнаружена неуловимая молекула, первая во Вселенной
Более 13 миллиардов лет назад Вселенная представляла собой однородный «суп» из трех простых одноатомных элементов. Звезды должны были сформироваться лишь через 100 миллионов лет. Однако уже в течение 100 000 лет после Большого взрыва появилась первая молекула — маловероятное соединение гелия и водорода, известное как ион гидрида гелия (HeH+).
«Это было началом химии», — сказал Дэвид Нойфельд, профессор Университета Джона Хопкинса и соавтор исследования, опубликованного в среду. В нем подробно описано, как ученые после многолетних поисков наконец обнаружили эту неуловимую молекулу в космосе. «Образование HeH+ стало первым шагом на пути к возрастающей сложности во Вселенной», — отметил он.
Теоретические модели давно убедили астрофизиков, что HeH+ появился первым, а за ним — в строгом порядке — последовал ряд других, все более сложных и тяжелых молекул. HeH+ также изучали в лаборатории еще с 1925 года. Но обнаружить его в естественной среде обитания долго не удавалось. «Отсутствие убедительных доказательств его существования в межзвездном пространстве долгое время было дилеммой для астрономии», — сказал ведущий автор Рольф Гюстен из Института радиоастрономии Макса Планка.
Где искать?
Еще в 1970-х годах модели предполагали, что HeH+ должен существовать в значительных количествах в светящихся газах, выбрасываемых умирающими звездами солнечного типа, где создаются условия, схожие с ранней Вселенной.
Хрупкая молекула
Проблема заключалась в том, что электромагнитные волны, излучаемые молекулой, находились в диапазоне дальнего инфракрасного излучения, который блокируется атмосферой Земли. Поэтому наземные наблюдения были невозможны.
NASA и Германский центр авиации и космонавтики объединили усилия, чтобы создать летающую обсерваторию SOFIA (Стратосферная обсерватория для инфракрасной астрономии). Её основные компоненты: 2,7-метровый телескоп, инфракрасный спектрометр и Boeing 747 с вырезанным в фюзеляже окном для наблюдений. С высоты около 14 000 метров (45 000 футов) SOFIA избегала 85% атмосферных помех, характерных для наземных телескопов.
Данные серии из трех полетов в мае 2016 года содержали долгожданные молекулярные доказательства, обнаруженные в планетарной туманности NGC 7027 на расстоянии около 3000 световых лет.
«Открытие HeH+ — это яркая и прекрасная демонстрация склонности Природы к образованию молекул», — сказал Нойфельд. В данном случае это произошло, несмотря на неблагоприятные условия.
Хотя температура в молодой Вселенной быстро падала после Большого взрыва, она все еще составляла около 4000 градусов Цельсия — враждебная среда для молекулярных связей. Более того, гелий — «благородный» газ — «имеет очень низкую склонность к образованию молекул», — объяснил Нойфельд. Его связь с ионизированным водородом была хрупкой и существовала недолго, уступая место более прочным и сложным молекулярным связям.
Более тяжелые элементы, такие как углерод, кислород и азот, и множество молекул, которые они породили, образовались позже в результате ядерных реакций, питающих звезды.