科学家成功重现宇宙首个分子 破解130亿年古老谜题

现存最古老的分子是氦氢离子(HeH⁺)，由中性氦原子和电离氢核结合形成。这标志着导致分子氢(H2)形成的链式反应开端，而分子氢是宇宙中迄今为止最常见的分子。

复合时期之后是宇宙学的"黑暗时代"：虽然由于自由电子结合使得宇宙变得透明，但仍不存在恒星等发光天体。数亿年过去后，第一批恒星才得以形成。

然而在宇宙早期阶段，HeH⁺和H2等简单分子对第一批恒星的形成至关重要。要使原恒星收缩的气体云坍缩到可以开始核聚变的程度，必须耗散热量。这一过程通过激发原子和分子的碰撞实现，随后这些粒子会以光子形式释放能量。但在约10,000摄氏度以下，这一过程对占主导地位的氢原子就变得低效。进一步冷却只能通过可以旋转和振动释放额外能量的分子实现。由于具有显著的偶极矩，HeH⁺离子在如此低温下特别有效，长期以来一直被认为是第一批恒星形成过程中冷却机制的潜在重要候选者。因此，宇宙中氦氢离子的浓度可能显著影响早期恒星形成的效率。

在此期间，与自由氢原子的碰撞是HeH⁺主要降解途径，会形成中性氦原子和H2⁺离子。这些产物随后与另一个H原子反应，形成中性H2分子和质子，从而促成分子氢的形成。

海德堡马克斯-普朗克核物理研究所(MPIK)的研究人员首次成功在类似早期宇宙的条件下重现了这一反应。他们研究了HeH⁺与氘(氢的一种同位素，原子核中除质子外还含有一个中子)的反应。当HeH⁺与氘反应时，会形成HD⁺离子而非H2⁺离子，同时产生中性氦原子。

该实验在海德堡MPIK的低温存储环(CSR)中进行——这是全球唯一能在类太空条件下研究分子和原子反应的仪器。研究人员将HeH⁺离子储存在直径35米的离子存储环中，在几开尔文(-267°C)条件下保存长达60秒，并与中性氘原子束叠加。通过调整两束粒子的相对速度，科学家能够研究碰撞速率如何随碰撞能量（与温度直接相关）变化。

他们发现，与早期预测相反，该反应速率并未随温度降低而减慢，而是几乎保持恒定。"先前理论预测低温下反应概率会显著下降，但我们在实验和同事的新理论计算中都无法证实这一点，"MPIK的Holger Kreckel博士解释道。"因此HeH⁺与中性氢和氘的反应对早期宇宙化学的影响可能远比先前假设的重要，"他补充道。这一观测结果与Yohann Scribano领导的理论物理学家团队的研究发现一致，该团队发现了以往所有该反应计算中使用的势能面存在错误。使用改进势能面进行的新计算现在与CSR实验高度吻合。

由于HeH⁺和分子氢(H2或HD)等分子的浓度对第一批恒星形成具有重要作用，这一成果让我们距离解开恒星形成之谜更近一步。