Сразу после Большого взрыва, случившегося около 13,8 миллиардов лет назад, во вселенной царили невообразимые жар и плотность. Но уже через несколько секунд она остыла настолько, что смогли появиться первые элементы — в основном водород и гелий. Они все еще оставались полностью ионизированными, ведь прошло почти 380 тысяч лет, прежде чем температура упала достаточно для образования нейтральных атомов. Так начались первые химические реакции.

Самой древней молекулой стал ион гидрида гелия (HeH⁺), состоящий из нейтрального атома гелия и ионизированного ядра водорода. Он дал старт цепочке, ведущей к появлению молекулярного водорода (H₂) — самой распространенной молекулы во вселенной.

Затем наступили «космические темные века»: хотя вселенная стала прозрачной из-за связывания свободных электронов, светящихся объектов, вроде звезд, еще не было. Прошло несколько сотен миллионов лет, прежде чем зажглись первые звезды.

Но уже в ту раннюю эпоху простые молекулы, такие как HeH⁺ и H₂, стали ключом к рождению звезд. Чтобы газовое облако протозвезды сжалось и в его ядре запустился термояд, ему нужно остывать. Это происходит при столкновениях, которые возбуждают атомы и молекулы, а те затем излучают энергию в виде фотонов. Однако при температуре ниже примерно 10 000 градусов по Цельсию этот механизм для атомов водорода уже не работает. Дальнейшее охлаждение возможно только с помощью молекул, способных отдавать энергию вращением и колебаниями. Ион HeH⁺ со своим сильным дипольным моментом особенно эффективен при таких низких температурах. Долгое время его считали главным «хладагентом» для первых звезд. Поэтому концентрация гидрида гелия во вселенной могла напрямую влиять на то, как быстро и успешно формировались светила.

Подробности опубликованы в издании Astronomy and Astrophysics.

Одним из основных путей разрушения HeH⁺ были столкновения со свободными атомами водорода. В результате получались нейтральный атом гелия и ион H₂⁺, который, реагируя с еще одним атомом H, превращался в нейтральную молекулу H₂ и протон. Так рождался молекулярный водород.

Исследователи из Института ядерной физики общества Макса Планка (MPIK) в Гейдельберге впервые воссоздали эту реакцию в условиях, близких к ранней вселенной. Они изучили реакцию HeH⁺ с дейтерием — изотопом водорода, в ядре которого, помимо протона, есть нейтрон. При столкновении HeH⁺ с дейтерием вместо H₂⁺ образуется ион HD⁺ и нейтральный гелий.

Эксперимент провели на Криогенном накопительном кольце (CSR) в Гейдельберге — уникальной установке для изучения молекулярных и атомных реакций в условиях, имитирующих космические. Ионы HeH⁺ хранили в кольце диаметром 35 метров при температуре всего в несколько кельвинов (-267 °C) до 60 секунд и сталкивали с пучком нейтральных атомов дейтерия. Меняя относительную скорость частиц, ученые выяснили, как вероятность реакции зависит от энергии столкновения, то есть от температуры.

Оказалось, что в отличие от ранних предсказаний, скорость реакции с понижением температуры почти не падает, оставаясь постоянной.

Предыдущие теории предсказывали значительное снижение вероятности реакции при низких температурах, но мы не смогли этого подтвердить ни в эксперименте, ни в новых теоретических расчетах наших коллег, — поясняет доктор Хольгер Креккель из MPIK. — Реакции HeH⁺ с нейтральным водородом и дейтерием, судя по всему, играли в химии ранней вселенной гораздо более важную роль, чем считалось ранее.

Это наблюдение согласуется с выводами группы теоретиков под руководством Йохана Скрибано, которая обнаружила ошибку в расчете потенциальной поверхности, использовавшейся во всех предыдущих моделях. Новые расчеты с исправленной поверхностью теперь хорошо согласуются с экспериментом на CSR.

Поскольку концентрации молекул вроде HeH⁺ и молекулярного водорода (H₂ или HD) были критически важны для формирования первых звезд, это открытие приближает нас к разгадке тайны их рождения.

Реальная польза этого исследования лежит в нескольких плоскостях.

• Во-первых, это фундаментальное знание: мы уточняем «рецепт» ранней вселенной, понимая, какие именно процессы и с какой скоростью формировали первую химическую среду. Это ключевой пазл в модели космологической эволюции.
• Во-вторых, такие высокоточные эксперименты с молекулярными ионами при сверхнизких температурах — это испытательный полигон для квантовой химии и физики. Отработанные методики и исправленные теоретические модели можно применять для моделирования химических процессов в современных областях, например, в холодной плазме для создания новых материалов или в квантовых вычислениях.
• В-третьих, понимание механизмов охлаждения космического газа помогает астрофизикам создавать более точные симуляции образования не только первых звезд, но и современных звездных систем, что, в свою очередь, влияет на нашу интерпретацию данных с телескопов.

Основное замечание касается экстраполяции результатов на условия ранней вселенной. Эксперимент был проведен с дейтерием, а не с обычным водородом (протием), который преобладал в ту эпоху. Хотя изотопный эффект в таких реакциях может быть невелик, для полной уверенности необходима прямая проверка с протием. Кроме того, условия в CSR, хоть и уникальны, являются идеализированной моделью. В реальности ранней вселенной реакции протекали в среде с более сложным спектром излучений и фоновых частиц, что могло вносить дополнительные поправки. Таким образом, исследование блестяще решает одну конкретную задачу, но для окончательного «закрытия» вопроса потребуются дополнительные эксперименты и интеграция этого результата в более полные астрофизические модели.

Ранее ученые впервые увидели начало формирования планетной системы.