Первая молекула во Вселенной: раскрыта химическая реакция, запустившая первые звёзды

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com
| Мнение | Наука и космос

Представьте себе Вселенную. Не ту, что мы видим в телескоп сегодня, усыпанную мириадами галактик, а совсем другую. Молодую, тёмную и тихую. Прошло почти 400 000 лет после Большого взрыва, и первозданный огненный шар остыл. Вселенная стала прозрачной, но в ней не было ни единого огонька. Ни звёзд, ни галактик — лишь гигантские облака водорода и гелия, парящие в бесконечной пустоте. Это эпоха, которую астрономы называют «тёмными веками».

Что же должно было произойти, чтобы в этой первобытной тьме вспыхнул первый свет? Ответ, как это часто бывает в науке, оказался спрятан не в грандиозных космических катаклизмах, а в химии — в поведении одной-единственной, невероятно важной молекулы.

Образование первой звезды, вольная интерпретация
Образование первой звезды, вольная интерпретация
Автор: ИИ Copilot Designer//DALL·E 3 Источник: www.bing.com
Загадка космического охлаждения

Чтобы из разреженного газового облака родилась звезда, оно должно сжаться под действием собственной гравитации. Гравитация тянет частицы друг к другу, но есть одна проблема: при сжатии газ нагревается. Этот нагрев создаёт внутреннее давление, которое, как пар в кипящем чайнике, сопротивляется дальнейшему сжатию. Чтобы гравитация победила, облаку нужно как-то избавляться от лишнего тепла — эффективно остывать.

На ранних этапах с этой задачей справлялись сами атомы водорода. Сталкиваясь, они возбуждались, а затем излучали энергию в виде света, остывая. Но фокус в том, что этот механизм перестаёт работать, когда температура падает ниже 10 000 °C. А для запуска ядерного синтеза — сердца звезды — облаку нужно было сжаться и остыть гораздо сильнее.

Вселенная зашла в тупик. Гравитация хотела создать звёзды, но физика мешала ей. Нужен был новый, более эффективный «радиатор».

Главный подозреваемый: первая молекула Вселенной

И вот тут на сцену выходит химия. Учёные давно поняли, что лучшими охладителями в таких условиях могут быть не атомы, а молекулы. В отличие от простых атомов, молекулы могут хранить и сбрасывать энергию не только через возбуждение электронов, но и через вращение и вибрацию своих связей. Представьте себе гантель: вы можете её просто бросить (это как атом), а можете ещё и раскрутить или заставить её концы вибрировать. Эти дополнительные «степени свободы» позволяют молекулам излучать энергию даже при очень низких температурах.

Коэффициент скорости реакции HeH⁺ + D → HD⁺ + He, измеренный методом сливающихся пучков, как функция относительной энергии столкновений, Eᵣ. Экспериментальные значения для времён удержания от 5 до 60 с (чёрные маркеры) были нормированы на ланжевеновский коэффициент скорости (штриховая линия). Планки погрешностей отображают статистические неопределённости с 90%-м доверительным уровнем. Наши новые теоретические расчёты TIQM для ионов HeH⁺ в состояниях j = 0 и j = 1 показаны светло-голубой и зелёной линиями соответственно. Наши расчёты QCT показаны сплошными тёмно-синей (j = 0) и зелёной (j = 1) линиями с маркерами. Неопределённости для значений QCT были получены из статистики расчётов траекторий.
Коэффициент скорости реакции HeH⁺ + D → HD⁺ + He, измеренный методом сливающихся пучков, как функция относительной энергии столкновений, Eᵣ. Экспериментальные значения для времён удержания от 5 до 60 с (чёрные маркеры) были нормированы на ланжевеновский коэффициент скорости (штриховая линия). Планки погрешностей отображают статистические неопределённости с 90%-м доверительным уровнем. Наши новые теоретические расчёты TIQM для ионов HeH⁺ в состояниях j = 0 и j = 1 показаны светло-голубой и зелёной линиями соответственно. Наши расчёты QCT показаны сплошными тёмно-синей (j = 0) и зелёной (j = 1) линиями с маркерами. Неопределённости для значений QCT были получены из статистики расчётов траекторий.
Автор: Grussie, F., et al.: A&A, 699, L12 (2025) Источник: www.aanda.org

Главным кандидатом на роль этого космического «кондиционера» стала удивительная частица — гидрид-ион гелия (HeH⁺). Это была самая первая молекула, образовавшаяся во Вселенной, когда нейтральный атом гелия встретился с одиноким протоном (ионом водорода).

Почему именно она? HeH⁺ обладает так называемым дипольным моментом — у неё есть ярко выраженные положительный и отрицательный полюса. Это делает её чрезвычайно эффективной в излучении энергии при вращении. Теория гласила: именно эта крошечная молекула должна была запустить процесс охлаждения, который в итоге привёл к появлению молекулярного водорода (H₂), главного строительного материала и охладителя для первого поколения звёзд.

Звучит логично. Но была одна загвоздка. Чтобы понять, насколько важен был HeH⁺, нужно было знать, как быстро он создавался и как быстро разрушался в реакциях с вездесущим водородом. И вот здесь старые теоретические модели давали очень неуверенные прогнозы.

Вердикт из лаборатории: теория была неправа

Чтобы разрешить эту загадку, учёные из Института ядерной физики Общества Макса Планка в Гейдельберге пошли на беспрецедентный шаг. Они решили не моделировать, а воссоздать условия ранней Вселенной прямо здесь, на Земле.

Их инструмент — криогенное накопительное кольцо (CSR) — это, по сути, машина времени. Внутри 35-метрового кольца создаётся глубокий вакуум и поддерживается температура всего в несколько градусов выше абсолютного нуля (−267 °C). В эту ловушку учёные поместили пучок тех самых ионов HeH⁺ и столкнули их с пучком атомов дейтерия (тяжёлого изотопа водорода, который удобнее отслеживать в эксперименте).

Цель была проста: измерить, как быстро протекает реакция при температурах, царивших в эпоху «тёмных веков». Старые теории предсказывали, что по мере остывания газа реакция распада HeH⁺ должна была резко замедляться. Если бы это было так, роль этой молекулы оказалась бы не такой уж и значительной.

Но результат эксперимента ошеломил всех.

Оказалось, что реакция идёт почти с постоянной скоростью, практически не замедляясь при сверхнизких температурах. Это полностью противоречило прежним расчётам. Вывод был однозначен: HeH⁺ распадался, образуя молекулярный водород, гораздо активнее, чем кто-либо предполагал. А значит, его вклад в химию и охлаждение ранней Вселенной был колоссальным.

Как это часто бывает, эксперимент подтолкнул теоретиков перепроверить свои модели. И действительно, другая группа учёных обнаружила ошибку в расчётах потенциальной энергии реакции, которую десятилетиями использовали все физики. Новые, исправленные расчёты идеально совпали с данными гейдельбергского эксперимента. Теория и практика наконец сошлись.

Температурные коэффициенты скорости для реакций HeH⁺ + D → HD⁺ + He и HeH⁺ + H → H₂⁺ + He, полученные из наших экспериментально подтверждённых расчётов TIQM и QCT. Соответствующие штриховые линии представляют собой наилучшую аппроксимацию по модифицированной формуле Аррениуса-Коя (см. Приложение D). Для сравнения также показаны ланжевеновские скорости и предыдущие теоретические результаты, на которые влияет искусственный барьер.
Температурные коэффициенты скорости для реакций HeH⁺ + D → HD⁺ + He и HeH⁺ + H → H₂⁺ + He, полученные из наших экспериментально подтверждённых расчётов TIQM и QCT. Соответствующие штриховые линии представляют собой наилучшую аппроксимацию по модифицированной формуле Аррениуса-Коя (см. Приложение D). Для сравнения также показаны ланжевеновские скорости и предыдущие теоретические результаты, на которые влияет искусственный барьер.
Автор: Grussie, F., et al.: A&A, 699, L12 (2025) Источник: www.aanda.org
Маленькая молекула, зажёгшая Вселенную

Что же это значит для нашего понимания космоса? Это открытие — не просто уточнение цифр в формуле. Это недостающий ключ к одной из величайших загадок астрофизики.

Теперь мы понимаем, что химический путь к первым звёздам был гораздо более прямым и эффективным. Первая молекула Вселенной, HeH⁺, оказалась не просто скромным участником, а ключевым катализатором, запустившим цепочку событий:

  1. HeH⁺ активно реагирует с водородом.
  2. В результате рождается молекулярный водород (H₂) — главный охладитель.
  3. Облака, насыщенные H₂, эффективно сбрасывают тепло.
  4. Гравитация наконец побеждает, сжимая газ до невероятных плотностей.
  5. Вспыхивают первые звёзды, озаряя Вселенную светом и заканчивая «тёмные века».

Так, крошечная, нестабильная частица, просуществовавшая лишь короткое время в зареве молодой Вселенной, выполнила свою важнейшую миссию. Она запустила химический мотор, который позволил гравитации сотворить свет. Изучая эти древние реакции в лаборатории сегодня, мы, по сути, заглядываем в самое сердце творения, разгадывая тайну нашего собственного космического происхождения.

Сейчас на главной

Новости

Публикации

Почему капитанская рубка называется «мостиком», хотя никакого моста там нет

На современном судне «мостик» больше похож на диспетчерскую. Перед окнами стоят экраны, радары, средства связи, органы управления, рядом лежат карты, а за стеклом открывается море. Никакой...

Мост в никуда: почему в «Зарядье» так и не достроили переход через Москву-реку


Парку «Зарядье» в сентябре 2026 года исполняется девять лет. За это время он успел стать одной из самых узнаваемых точек на карте Москвы, местом, куда приходят за видами на Кремль, прогулками среди...

Собрали и разобрали: почему перспективный кабриолет МЗМА не выдержал заводских реалий

Когда я впервые наткнулся на архивные снимки Москвича-408 «Турист», я попросту отказался верить глазам. Заводская разработка 1964 года? Серьезно?Мы привыкли воспринимать классические Москвичи как...

Почему помидор выглядит целым при сборе, а через несколько дней дома вокруг плодоножки появляется тёмное пятно

Помидор снимают с куста совершенно нормальным: кожица ровная, плод плотный, возле плодоножки нет ни трещин, ни подозрительной мягкости. Его кладут в коробку вместе с остальными, а через три-четыре...

✦ ИИ  Почему яд шпанской мушки веками путали с афродизиаком

В июне 1772 года маркиз де Сад в Марселе угостил нескольких женщин пастилками с кантаридой — так в фармации того времени называли препарат из высушенной шпанской мушки. После этого...

Разбор: одна грудь больше другой, бельё этого не различает — считаем, как промах шкалы растёт с объёмом

Одна грудь больше другой: шаг размерной шкалы фиксирован в миллилитрах, а разница сторон растёт как процент от объёма. Считаем долю шага для 300 и 650 см3 и исправляем две ошибки прошлого разбора.