Как первые молекулы помогли сформироваться первым звёздам

Сразу после Большого взрыва (~13.8 млрд лет назад) Вселенная состояла из горячей плазмы. Через ~380 000 лет она остыла достаточно для рекомбинации — образования нейтральных атомов водорода и гелия. Это открыло путь первым химическим реакциям.

Самой первой молекулой стал ион гидрида гелия (HeH⁺), образованный из нейтрального атома гелия и ионизированного ядра водорода (протона). Его формирование запустило цепную реакцию, ведущую к появлению молекулярного водорода (H₂).

После рекомбинации наступили «тёмные века» космологии — период без звёзд, длившийся несколько сотен миллионов лет. В это время простые молекулы, такие как HeH⁺ и H₂, были критически важны для охлаждения сжимающихся газовых облаков — протозвёзд.

Механизм охлаждения: Чтобы облако коллапсировало и в нём начался термоядерный синтез, оно должно избавляться от тепла. При температурах ниже ~10 000 °C атомы водорода для этого неэффективны. Дальнейшее охлаждение возможно только через молекулы, которые могут излучать энергию за счёт вращения и колебаний. HeH⁺ с его выраженным дипольным моментом был особенно эффективен при низких температурах.

Ключевая реакция разрушения HeH⁺ в ранней Вселенной — столкновение с нейтральными атомами водорода (H), приводящее к образованию H₂. Учёные из Института ядерной физики Макса Планка (MPIK) впервые воссоздали эту реакцию в условиях, близких к ранней Вселенной.

Эксперимент в MPIK:

• Исследовали реакцию HeH⁺ с дейтерием (D) — изотопом водорода.
• Эксперимент провели на Криогенном накопительном кольце (CSR) — уникальном инструменте, имитирующем условия космоса.
• Ионы HeH⁺ хранили при температуре в несколько кельвинов (~ -267 °C) и сталкивали с пучком атомов дейтерия, варьируя энергию столкновений.

Главный результат: Вопреки ранним теоретическим прогнозам, скорость реакции HeH⁺ + D → He + HD⁺ не замедляется с понижением температуры, а остаётся почти постоянной.

«Реакции HeH⁺ с нейтральным водородом и дейтерием, судя по всему, были гораздо важнее для химии ранней Вселенной, чем считалось ранее», — поясняет доктор Хольгер Креккель (MPIK).

Это открытие согласуется с новыми теоретическими расчётами группы Иоанна Скрибано, которые исправили ошибку в расчётах потенциальной поверхности для данной реакции.

Поскольку концентрации молекул HeH⁺ и H₂ напрямую влияли на эффективность охлаждения и коллапса газовых облаков, это исследование приближает нас к разгадке тайны формирования первых звёзд во Вселенной.

Исследование опубликовано в журнале Astronomy & Astrophysics.