Naučnici rekreirali prvi molekul u svemiru: Rešena zagonetka stara 13 milijardi godina

Odmah posle Velikog praska, pre oko 13,8 milijardi godina, svemirom su dominirale nezamislivo visoke temperature, a njegova gustina bila je ogromna. Međutim, posle samo nekoliko sekundi, svemir se ohladio dovoljno da se formiraju prvi elementi, prvenstveno vodonik i helijum.

Oni su u ovom trenutku još bili potpuno jonizovani, a bilo je potrebno skoro 380.000 godina da temperatura svemira padne dovoljno da neutralni atomi rekombinacijom formiraju slobodne elektrone. To je otvorilo put prvim hemijskim reakcijamaa, piše ScienceDaily.

Preporučujemo

Najstariji molekul koji je nastao bio je jon helijum hidrida (HeH⁺), formiran od neutralnog atoma helijuma i jonizovanog jezgra vodonika. Ovo označava početak lančane reakcije koja dovodi do formiranja molekularnog vodonika, daleko najčešćeg molekula u univerzumu.

Nakon rekombinacije usledilo je „mračno doba“ kosmologije: iako je univerzum sada bio proziran zbog vezivanja slobodnih elektrona, i dalje nije bilo objekata koji emituju svetlost, kao što su zvezde. Prošlo je nekoliko stotina miliona godina pre nego što su se prve formirale.

Tokom ove rane faze univerzuma, međutim, jednostavni molekuli jon helijum hidrida i vodonik bili su ključni za formiranje prvih zvezda. Da bi se oblak gasa protozvezde, koji se sažima, urušio do tačke gde može započeti nuklearna fuzija, toplota se mora osloboditi. To se dešava kroz sudare koji pobuđuju atome i molekule, koji zatim tu energiju emituju u obliku fotona. Ispod približno 10.000 stepeni Celzijusa, međutim, ovaj proces postaje neefikasan za dominantne atome vodonika. Dalje hlađenje može se odvijati samo putem molekula koji mogu emitovati dodatnu energiju kroz rotaciju i vibraciju. Zbog svog izraženog dipolnog momenta, jon helijum hidrida je posebno efikasan na ovim niskim temperaturama i dugo se smatrao potencijalno važnim kandidatom za hlađenje pri formiranju prvih zvezda. Shodno tome, koncentracija jona helijum hidrida u univerzumu može značajno uticati na efikasnost ranog formiranja zvezda.

Tokom ovog perioda, sudari sa slobodnim atomima vodonika bili su glavni mehanizam razgradnje za helijum hidrid, formirajući neutralni atom helijuma i jon vodonika. Ovi su zatim reagovali sa drugim atomom vodonika da bi formirali neutralni molekul vodonika i proton, što je dovelo do formiranja molekularnog vodonika.

Istraživači sa Instituta Maks Plank za nuklearnu fiziku u Hajdelbergu sada su po prvi put uspešno rekreirali ovu reakciju u uslovima sličnim onima u ranom univerzumu. Istraživali su reakciju helijum hidrida sa deuterijumom, izotopom vodonika koji pored protona sadrži i dodatni neutron u atomskom jezgru. Kada helijum hidrid reaguje sa deuterijumom, formira se jon HD⁺ umesto H₂⁺, pored neutralnog atoma helijuma.

Eksperiment, o kome je napisana i objavljena studija u Astronomy & Astrophysics, izveden je na Kriogenom skladišnom prstenu (CSR) na Institutu Maks Plank za nuklearnu fiziku (MPIK) u Hajdelbergu — globalno jedinstvenom instrumentu za istraživanje molekularnih i atomskih reakcija u uslovima sličnim svemirskim.

U tu svrhu, joni HeH⁺ su skladišteni u jonskom skladišnom prstenu prečnika 35 metara do 60 sekundi na temperaturi od nekoliko kelvina (-267 °C), i bili su ukršteni sa snopom neutralnih atoma deuterijuma. Podešavanjem relativnih brzina dva snopa čestica, naučnici su mogli da proučavaju kako brzina sudara varira sa energijom sudara, što je direktno povezano sa temperaturom.

Otkrili su da, suprotno ranijim predviđanjima, brzina kojom se ova reakcija odvija ne usporava sa opadanjem temperature, već ostaje skoro konstantna.

- Prethodne teorije su predviđale značajno smanjenje verovatnoće reakcije na niskim temperaturama, ali nismo uspeli to da potvrdimo ni u eksperimentu, ni u novim teorijskim proračunima naših kolega – objasnio je dr Holger Krekel sa Instituta i dodao:

- Reakcije HeH⁺ sa neutralnim vodonikom i deuterijumom stoga su, čini se, bile daleko važnije za hemiju u ranom univerzumu nego što se ranije pretpostavljalo.

Pošto su koncentracije molekula kao što su HeH⁺ i molekularni vodonik (H₂ ili HD) igrale važnu ulogu u formiranju prvih zvezda, ovaj rezultat nas približava rešavanju misterije njihovog nastanka.

(Telegraf Nauka/ScienceDaily)