科学家成功再造宇宙首个分子，破解130亿年前的古老谜题

现存最古老的分子是氦合氢离子（HeH⁺），由中性氦原子和电离的氢原子核结合形成。这标志着一系列连锁反应的开始，最终导致分子氢（H₂）的形成——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"：尽管由于自由电子的结合，宇宙此时已变得透明，但仍不存在发光天体（如恒星）。数亿年后，第一批恒星才得以形成。

然而，在宇宙的早期阶段，诸如HeH⁺和H₂之类的简单分子对首批恒星的形成至关重要。为了使原恒星收缩的气体云坍缩到核聚变能够开始的临界点，必须耗散热能。这一过程通过碰撞激发原子和分子实现，受激粒子随后以光子形式辐射能量。但在大约10,000摄氏度以下，这一过程对占主导地位的氢原子效果显著下降。进一步的冷却只能通过分子实现，这些分子可通过旋转和振动释放额外能量。由于具有显著的偶极矩，HeH⁺离子在如此低温条件下特别有效，长期以来一直被视为首批恒星形成过程中潜在的重要冷却候选机制。因此，宇宙中氦合氢离子的浓度可能显著影响早期恒星形成的效率。

在此时期，与自由氢原子的碰撞是HeH⁺的主要降解途径，形成中性氦原子和H₂⁺离子。这些粒子随后与另一个氢原子反应，生成中性H₂分子和质子，最终导致分子氢的形成。

海德堡马克斯·普朗克核物理研究所（MPIK）的研究人员现已首次在模拟早期宇宙环境的条件下成功再现了这一反应。他们研究了HeH⁺与氘（氢的一种同位素，其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⁺）以及中性氦原子。

该实验在MPIK海德堡分部的低温储存环（CSR）中进行——这是全球唯一能在类太空条件下研究分子及原子反应的装置。实验中，氦合氢离子被储存在直径35米的离子储存环内长达60秒，环境温度维持在几开尔文（-267°C），并与中性氘原子束叠加。通过调节两束粒子流的相对速度，科学家得以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，该反应的速率并未随温度降低而减慢，反而几乎保持恒定。MPIK的霍尔格·克雷克尔博士解释道："先前的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均无法证实这一点。因此，HeH⁺与中性氢及氘的反应在早期宇宙化学过程中的重要性可能远超此前预期。" 这一观测结果与由约安·斯克里巴诺领导的理论物理学家团队的发现相符，该团队发现在所有先前针对此反应的计算中，所使用的势能面存在错误。采用改进势能面进行的新计算现已与CSR实验结果高度吻合。

由于HeH⁺和分子氢（H₂或HD）等分子的浓度在首批恒星形成过程中扮演重要角色，此项成果让我们离解开恒星形成之谜更近了一步。