Астрономы обнаружили древнейшую молекулу во Вселенной

Учёные обнаружили в космосе химическое соединение, которое первым появилось после Большого взрыва. Правда, были найдены не сами «реликтовые молекулы», а частицы того же вещества (гидрида гелия) в остатках остывающих звёзд. До сих пор астрономам не удавалось наблюдать это соединение. Теперь же они получили созданную самой природой лабораторию для изучения древнейшей Вселенной.

Открытие описано в научной статье, опубликованной в журнале Nature.

Напомним, что Большой взрыв произошёл около 13,7 миллиарда лет назад. В первые доли секунды после этого вещество было настолько горячим, что не существовало не только атомов, но и протонов.

Однако Вселенная быстро расширялась, энергия распределялась по всё большему пространству, и материя остывала. Уже через несколько десятков минут после Большого взрыва закончилось образование первых атомных ядер. 90% этих ядер представляли собой одиночные протоны (ядра будущих атомов водорода), 8% – ядра гелия. Также образовались дейтерий (изотоп водорода, ядро которого, помимо протона, содержит нейтрон), литий, бериллий и бор, все вместе составившие 2% первичных ядер.

Через 300 тысяч лет температура вещества упала ниже 3500 °C. Тогда электроны стали объединяться с ядрами в первые атомы. Сначала появились атомы гелия, затем водорода. Наконец, пришла пора для первой во Вселенной молекулы, точнее, сложного иона: соединения HeH+ (гидрид гелия). В него входят ядро гелия и ядро водорода, а также два электрона.

«Это было начало химии, – говорит соавтор нового исследования Дэвид Нойфельд (David Neufeld) из Университета Джона Хопкинса в материале AFP. – Формирование HeH+ было первым шагом на пути усложнения во Вселенной».

Такую картину нарисовали теоретики, но верна ли она? Выводы космологов о том, какие элементы и в каких пропорциях образовались в эпоху рождения первых атомных ядер, очень хорошо согласуются с наблюдаемым химическим составом Вселенной. Что же касается первых молекул, то здесь ситуация сложнее.

HeH+ – хрупкое соединение, и ионы, образовавшие вскоре после Большого взрыва, давно разрушились. Правда, вглядываясь в глубины космоса, мы смотрим в прошлое, ибо излучению требуется огромное время, чтобы дойти до Земли. Таким путём астрономы наблюдают необычайно древние объекты такими, какими они были миллиарды лет назад. Однако гидрид гелия не является настолько мощным излучателем, чтобы заметить его на таких расстояниях.

Надежда найти в космосе неуловимое соединение появилась в 1970-х, когда теоретики показали, что оно должно рождаться в планетарных туманностях. Напомним, что подобные объекты представляют собой внешние слои, сброшенные небольшой звездой на последних этапах жизни.

Однако наблюдать HeH+ не так-то просто. Это вещество излучает на длине волны 149 микрометров (дальний инфракрасный диапазон).

«Этот поиск невозможно выполнить в наземных обсерваториях, потому что на длине волны 149 микрометров атмосфера Земли совершенно непрозрачна», – объясняет первый автор статьи Рольф Гюстен (Rolf Gusten) из Института радиоастрономии имени Макса Планка в материале ScienceAlert.

Кроме того, в течение десятилетий у астрономов не было достаточно совершенных приборов, чтобы уверенно отличить излучение «первой молекулы» от инфракрасного «света», испускаемого другими источниками на близких длинах волн.

Спектр NGC 7027 с линией гидрида гелия и изображение NGC 7027. Иллюстрация William B. Latter (SIRTF Science Center/Caltech), NASA/ESA; Rolf Gusten/MPIfR (Nature, April 18, 2019)

Однако технологии не стоят на месте, и таинственный ион был, наконец, обнаружен.

Астрономы использовали летающую обсерваторию SOFIA. В ней 2,7-метровый инфракрасный телескоп расположен на борту «Боинга-747». Находясь на высоте 14 километров, самолёт оставляет внизу 85% шума, создаваемого атмосферой для инфракрасных инструментов.

В серии трёх полётов в мае 2016 года астрономы обнаружили излучение HeH+, исходящее от планетарной туманности NGC 7027 на расстоянии около 3000 световых лет от Земли.

«Отсутствие доказательств самого существования гидрида гелия в обозримой Вселенной поставило под сомнение наше понимание химии в ранней Вселенной. Теперь открытие, о котором сообщается [в статье], разрешает такие сомнения», – заключает Гюстен.

Ион гигрида гелия был изучен в лаборатории ещё в 1925 году, но в экспериментальной установке трудно воспроизвести все условия космической среды. Теперь астрономы надеются, что планетарные туманности послужат им моделью, проливающей свет (точнее, инфракрасное излучение) на химию ранней Вселенной.

Напомним, что ранее «Вести.Наука» (nauka.vesti.ru) писали о самой большой молекуле, когда-либо наблюдавшейся в радиотелескоп, и о «доме» радиоактивных молекул в Млечном Пути. Говорили мы и о химическом портрете остатка сверхновой.

Источник: vesti.ru