科学家成功再造宇宙首个分子，破解130亿年历史谜题

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——后者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使宇宙变得透明，但仍不存在发光天体（如恒星）。数亿年后才形成第一批恒星。

然而在宇宙早期阶段，诸如HeH⁺和H2之类的简单分子对首批恒星的形成至关重要。为使原恒星收缩的气体云坍缩到能启动核聚变的程度，必须耗散热量。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释放能量。但在约10,000摄氏度以下，该过程对占主导地位的氢原子效果减弱。进一步冷却只能通过可进行旋转和振动释放额外能量的分子实现。由于具有显著的电偶极矩，HeH⁺离子在低温环境下特别高效，长期以来被视为首批恒星形成过程中潜在的重要冷却候选物质。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。

此期间，与自由氢原子的碰撞是HeH⁺的主要衰变途径，反应生成中性氦原子和H2⁺离子。后者随后与另一个氢原子反应形成中性H2分子和质子，最终促成分子氢的生成。

海德堡马克斯·普朗克核物理研究所（MPIK）的研究人员首次在模拟早期宇宙环境的条件下成功重现该反应。他们研究了HeH⁺与氘（氢的同位素，原子核中除质子外多含一个中子）的反应。当HeH⁺与氘反应时，除中性氦原子外，会形成HD⁺离子而非H2⁺离子。

实验在海德堡MPIK的低温存储环（CSR）进行——这是全球独有的可在类太空条件下研究分子原子反应的装置。实验中，氦合氢离子被储存在直径35米的离子存储环内长达60秒，温度维持在数开尔文（-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，该反应速率并未随温度降低而减慢，反而几乎保持恒定。"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均无法证实这一点，"MPIK的Holger Kreckel博士解释道。他进一步指出："因此，HeH⁺与中性氢及氘的反应对早期宇宙化学过程的重要性可能远超此前认知。"该观测结果与Yohann Scribano领导的理论物理团队的研究相符——该团队发现此前所有该反应计算中使用的势能面存在错误。采用改进势能面的新计算结果与CSR实验高度吻合。

鉴于HeH⁺和分子氢（H2或HD）等分子的浓度在首批恒星形成中起关键作用，这一发现让我们离解开恒星形成之谜更近一步。