Сразу после Большого взрыва в новорожденной Вселенной царили невероятно высокие температуры и плотность. Спустя всего несколько секунд она остыла настолько, что начали формироваться первые элементы — в основном водород и гелий. Они все еще оставались полностью ионизированными, так как потребовалось почти 380 000 лет, чтобы температура во Вселенной снизилась достаточно для образования нейтральных атомов путем рекомбинации со свободными электронами. Это открыло путь первым химическим реакциям.
Самой древней молекулой во Вселенной считается ион гидрида гелия HeH⁺, образовавшийся из нейтрального атома гелия и ионизированного ядра водорода. Это положило начало цепной реакции, ведущей к формированию молекулярного водорода H₂ — самой распространенной молекулы на сегодня.
После рекомбинации наступили «темные века» космологии: Вселенная стала прозрачной, но в ней еще не было светящихся объектов. Прошло несколько сотен миллионов лет, прежде чем образовались первые звезды.
В ту пору простые молекулы вроде HeH⁺ и H₂ играли ключевую роль в образовании первых звезд. Чтобы газовое облако протозвезды могло сжаться до состояния, при котором начинается термоядерный синтез, необходимо отведение тепла. Это происходит благодаря столкновениям, возбуждающих атомы и молекулы, которые высвобождают энергию в виде фотонов. Однако при температурах ниже примерно 10 000 градусов Цельсия этот процесс становится неэффективным для преобладающих атомов водорода. Дальнейшее охлаждение возможно только за счет молекул, способных излучать дополнительную энергию через вращение и колебания. Благодаря выраженному дипольному моменту ион HeH⁺ особенно эффективен при таких низких температурах и долгое время рассматривался как важный «хладагент» для формирования первых звезд. Таким образом, концентрация ионов гидрида гелия во Вселенной могла существенно влиять на эффективность раннего звездообразования.
Основным механизмом разрушения HeH⁺ были реакции со свободными атомами водорода с образованием атома гелия и иона H₂⁺. Последний присоединял еще один атом водорода, в результате чего получались молекулярный водород и один протон.
Исследователи из Института ядерной физики Макса Планка (MPIK) в Гейдельберге впервые успешно воспроизвели этот процесс в условиях, близких к ранней Вселенной. Они изучили реакцию HeH⁺ с дейтерием — изотопом водорода, содержащим в ядре не только протон, но и нейтрон. При взаимодействии HeH⁺ с дейтерием вместо иона H₂⁺ образуется ион HD⁺ наряду с нейтральным атомом гелия.
Эксперимент проводился на Криогенном накопительном кольце в MPIK — уникальном инструменте для изучения молекулярных и атомных реакций в условиях, приближенных к космическим. В ускорителе длиной 35 метров при температуре всего несколько кельвинов (−267 °C) ионы HeH⁺ сталкивали с пучком нейтральных атомов дейтерия. Меняя относительную скорость двух пучков частиц, ученые оценили зависимость частоты столкновений от их энергии, напрямую связанной с температурой.
Результаты опытов опубликованы в Astronomy & Astrophysics. Они показали, что вопреки теоретическим предсказаниям, скорость этой реакции не снижается с уменьшением температуры, а остается почти постоянной.
«Предыдущие теории предсказывали значительное уменьшение вероятности реакции при низких температурах, но мы не смогли подтвердить это ни в эксперименте, ни в новых теоретических расчетах наших коллег. Реакции HeH⁺ с нейтральным водородом и дейтерием, по-видимому, играли гораздо более важную роль в химии ранней Вселенной, чем считалось ранее», — объясняет физик Хольгер Креккель из MPIK.
Эти наблюдения согласуются с выводами группы теоретических физиков под руководством Йохана Скрибано, обнаруживших ошибку в расчете потенциальной поверхности, использовавшейся во всех предыдущих вычислениях для этой реакции. Новые расчеты с улучшенной потенциальной поверхностью теперь хорошо согласуются с результатами эксперимента.
Поскольку концентрация молекул, таких как HeH⁺ и молекулярный водород H₂ или HD, играла важную роль в формировании первых звезд, это открытие приближает нас к разгадке тайны их возникновения.