科學家通過探測3000光年外的星雲,找到了宇宙的第一種分子

2021年09月11日10:20

  文章來源於新發現雜誌 ,作者J Veyrieras

  這場持續了上百年的探索終於有所收穫。一支天文學團隊通過探測星雲,找到了宇宙第一種分子HeH+存在的證據,描繪出宇宙中化學反應的誕生過程。

  “這天空真是絕妙!”

  在2019年7月13日那個清澈的夜晚,萬事俱備,只待收集一束在太空中傳播了3000年的光。

  遙遠的 NGC 7027 星雲該星雲距地球 3000 光年,在其中心恒星的強光照射下,星雲氣體包層里的化學反應不斷增加。

  馬普射電天文學研究所的赫爾穆特·威斯邁爾(Helmut Wiesemeyer)領導的這支團隊由德國和美國的天體物理學家組成,他們知道機不可失,尤其是能得到海拔4168米的夏威夷莫納克亞天文台享有盛名的美國國家航空航天局紅外望遠鏡(NASA IRTF)的特許使用權。

  如果一切順利,研究將得出近幾十年來天體化學中最重要的結論之一。他們為直徑3米的天文望遠鏡配備了能夠精確測量紅外線強度的階梯光柵光譜儀iSHELL,將它對準天鵝座方向上的NGC 7027星雲——這是600年前一顆紅巨星爆炸後留下的一團行星狀氣體雲。

  2019 年 7 月,NASA 的 ITFR 望遠鏡在波長 3.51629 微米和 3.60776微米處發現了兩個紅外信號。

  這個富含碳元素的星雲因易於觀察而成為了天體化學領域的研究熱點,且其中心白矮星強烈的紫外輻射(比太陽亮一萬倍)能促進許多化學反應。

  因此,NGC 7027星雲是人類瞭解原子在冷寂的星際空間中聚集並逐漸形成大分子、乃至富勒烯(C60和C70)的理想場所。更重要的是,這裏也是“圍獵”一個特殊分子的場地。

  自1925年被兩位美國化學家合成以來,這個所謂的氦合氫離子(HeH+)困擾了天體化學家近一個世紀:作為宇宙中誕生的第一種分子,正是它將原子的宇宙轉變成了分子的宇宙!

  始於被孤立的氫核

  事實上,科學家用來描述宇宙初期的模型十分清晰:在宇宙大爆炸38萬年後,宇宙的溫度降至4000 K以下,電子的隨機運動逐漸變得緩慢,以至於能被呈正電性的氫核(單個質子)和氦核(由兩個質子和兩個中子構成)捕獲形成氫原子和氦原子。

  而此前被電子束縛的光子也得以掙脫(光子退耦),並就此在整個宇宙中自由傳播,形成了我們至今仍能觀測到的宇宙微波背景輻射——與此同時,氦合氫離子登場了。

  1。 大爆炸後38 萬年:仍然沒有電子的少數氫核與氦核(1)碰撞形成第一種分子 HeH + (2)。

  “99.99%的氫核捕獲到了電子,但仍然存在著一小部分非常關鍵的無電子氫核。”智利康塞普西翁大學宇宙原初化學家斯特凡諾·博維諾(Stefano Bovino)解釋說。這些被電子孤立的氫核很快與新形成的氦原子發生碰撞,並借助恢復自由的光子的相互作用產生了宇宙中的第一個化學鍵。

  “這標誌著宇宙中化學反應的開端。”博維諾強調道。“這種離子在宇宙的化學與分子演化過程中起著至關重要的作用。”威斯邁爾的同事拉爾夫·古斯滕(Rolf Güsten)強調說。

  更何況氦合氫離子還是最強的酸,具有極高的反應活性,它一誕生就可以引出氫氣——宇宙中第二種分子——的生成。

  2。 接下來的數百萬年:HeH + 始終保持著極高的反應活性,能使氫原子形成氫分子離子 H 2+ (3),H2+迅速捕獲電子(4),形成氫氣分子 H 2 (5),後者接著聚集成巨大的氣體雲。

  氫分子隨後迅速聚集成巨大的氣體雲,它在引力作用下坍縮,點燃了第一批恒星。這些恒星又通過其中心的核反應產生了新的元素:碳、氧、氮、鐵,等等。

  3。 又過了幾億年:氫氣雲坍縮並形成了第一批恒星,這些恒星死亡時會噴射出新的原子和更複雜的分子,比如水分子。

  4。 時至今日:宇宙的化學複雜度不斷增長,而相關過程由恒星鍛造出的新原子持續推進著。人體 DNA 中的有機分子甚至在若干星雲中被發現了……

  隨後恒星死去,留下一片沐浴在其餘暉中的塵埃雲——待其中的分子重新聚集,會形成新的恒星和行星,循環往複……直至45億年前地球的出現,而彼時距宇宙大爆炸已然過去了93億年。

  由於反應活性太高,氦合氫離子十分不穩定以致如今難覓蹤跡,但它仍沒完全消失。“這是一種奇特且不穩定的分子,只能在極端且非常特殊的條件下出現。”斯特凡諾·博維諾指出。但可以肯定的是,如果氦合氫離子仍藏身於宇宙的某處,那其中必少不了NGC 7027星雲。

  美國約翰斯·霍普金斯大學天體物理學家、天體化學家大衛·諾伊費爾德(David Neufeld)認為:“這種離子可能會在緊挨著白矮星的第一層氦包層和併入星雲的第二層氫包層之間的交界面處大量形成。”白矮星的紫外輻射促進了氦的電離,形成由氦正離子(He+)構成的等離子體,隨後與氫包層在某些地方混合。

  He+極度渴求電子,奪取氫原子電子的同時也捎帶了它的質子(氫原子由一個電子和一個質子構成),於是便形成了HeH+分子——這是自1970年代以來學界認同的理論模型,諾貝爾化學獎得主、德裔加拿大科學家格哈德·赫茨伯格(Gerhard Herzberg)還撰寫過一篇相關論文。

  格哈德·赫茨伯格

  在1980年代初,加拿大赫茨伯格天體物理學研究所的一支團隊認為氦合氫離子是能夠被檢測到的:當氦合氫離子被激發時,由於其量子性質,氦合氫離子會以兩個精確的波長(3.51629微米和3.60776微米)發射光子,而這微弱的光學特徵理論上能被紅外望遠鏡捕捉到。“於是他們聯繫了我。”法國天體物理學家讓-皮埃爾·邁亞爾(Jean-Pierre Maillard)回憶說。

  CFT望遠鏡

  1988年,邁亞爾使用CFT望遠鏡(加拿大-法國-夏威夷望遠鏡)以及他設計的高解像度紅外光譜儀開始了對星空的首次觀測,這也是學術界首次對氦合氫離子的天文探測。

  探測目標毫無疑問是NGC 7027星雲,期望卻落空了,他們當時並沒有檢測到那兩條紅外譜線,很難斷定這是由於檢測儀器的極限還是因為根本不存在氦合氫離子。之後又有兩個團隊在1990年末和2000年初憑藉改進的紅外傳感器探測可能存在於NGC 7027星雲的氦合氫離子,卻始終一無所獲。

  驗明正身

  於是來到了2019年7月的這個“絕妙”之夜。與邁亞爾、威斯邁爾和古斯滕的初次嚐試不同,大衛·諾伊費爾德和他的同事們如今能夠憑藉更詳細的信息精確地描述星雲的結構。

  事實上,這個團隊已經率先取得了巨大進展:2019年3月,他們發佈了借助NASA安裝在一架波音747上的2.5米口徑天文望遠鏡,即“平流層紅外線天文台”(SOFIA)進行的首次探測結果。

  首個捷報便是氦合氫離子的另一條更為基礎的紅外譜線正好位於預期的149.137微米附近,而它只能在地球大氣層的邊界處觀察到。“大氣層吸收了這種輻射,因此我們無法在地面上觀察到它。”拉爾夫·古斯滕解釋說。

  所以幾乎可以肯定氦合氫離子就在NGC 7027星雲,但仍有必要確認上述的3.51629微米和3.60776微米的這兩條譜線,它們將無可辯駁地證實氦合氫離子的存在。“經過數十年毫無進展的探索,第一個積極的結果非常振奮人心。”諾伊費爾德回顧道。

  在2019年7月的這一晚,距讓-皮埃爾·邁亞爾三十多年前開啟這項探索僅幾百米處,整個檢測過程終於完成:IRFT望遠鏡和iSHELL光譜儀的結合記錄了這兩條動人的紅外譜線。

  IRFT望遠鏡

  “這是天文學上首個證明宇宙原始化學理論模型是正確的證據。”斯特凡諾·博維諾評價道。近年來,面對關於複雜有機分子的天文探測結果紛至遝來,天體化學家有些不知所措,而這個結果無疑將成為新的圭臬。“數百種化學物質在塵埃雲中產生相互作用,引發成千上萬種受輻射影響的化學反應,而我們仍然無法對這種複雜性進行建模。”博維諾坦言。

  確認NGC 7027中氦合氫離子的存在夯實了宇宙化學領域的地基,為理論家提供了堅實的基礎,也許還能帶來更複雜、精準的相關模型。

  此外,這個成果同樣激勵著那些在實驗室里模擬宇宙極端條件以重現相應化學反應的天體化學研究人員。一支德國科研團隊便重燃了對氦合氫離子的熱情,在實驗台上重現了它在宇宙初期的誕生。

  隨後他們通過探測宇宙微波背景輻射,證實了氦合氫離子確實是宇宙中的第一種分子。“這是我目前主導的工作進展之一,與CNES(法國國家空間研究中心)的一個空間望遠鏡項目有所聯繫。”讓-皮埃爾·邁亞爾表示。儘管方才驗明正身,對氦合氫離子的新探索已然開啟!

  撰文 Jean-Baptiste Veyrieras

  編譯 唐悅

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