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宇宙宇宙中第一个分子的前世今生( 二 )


这项对天体化学的研究 ， 旨在阐明太空中存在什么分子 ， 它们如何形成以及它们的演化对观测和理论天体物理学的重要意义 。 有一些星际分子在地球上是广泛存在的 ， 包括已知的水、氨和甲醛 。 然而其他的星际分子则在地面上是及其罕见的 ， 例如带有额外质子的盐酸离子团和过氧化氢失去一个氢原子形成的超氧根离子 。 科学家们还观察到含有所谓惰性元素的分子 ， 例如ArH+（氩气和氢的混合物）和最近记录的HeH+ 。
大海捞针：HeH+分子藏身之所被发现
尽管在多年以后光谱学领域取得了越来越多的突破 ， 但是HeH+分子仍然难以捕捉 。 这是因为 ， 在宇宙爆炸早期之后 ， 形成的第一个分子将很快消散 。 随着宇宙的进一步发展、膨胀和冷却 ， 剩下的氢原子核开始收集自己的电子 。 到那时 ， 中性氢原子会感受到HeH+分子上的正电荷 ， 这会诱导原子和分子发生碰撞 ， 相对较弱的He-H键断裂 ， 两个氢原子之间形成了更强的共价键H2+ 。 此后 ， 氦原子基本上则被保留累积下来 。
按照该机理 ， 宇宙中短暂存在的HeH+是无足轻重的 ， 因为它很快就消失了 ， 但事实并非如此 。 相关化学反应模型表明 ， 如果不形成HeH+ ， H2+和H2的诞生将会慢得多 。 但是 ， 一旦形成了H2 ， 整个化学反应领域就开始迅速增长 ， 最终会生成水、乙醇和更复杂的分子 ， 而这一切起源于HeH+分子 。
宇宙宇宙中第一个分子的前世今生
本文插图
图3. 寻找HeH+分子的光谱特征的图示（图片来源：Nature）
在2013年 ， 天文学家正对无处可寻的HeH+感到沮丧时 ， 研究人员则在蟹状星云超新星残骸中发现了相关的稀有气体分子ArH+ ， 这成为了一个充满希望的信号 。 此后 ， 科学家将搜索重点放在了类似的超能量环境中 。 不过 ， 更大的问题是 ， HeH+与第一个观察到的太空分子CH自由基相类似的指纹区域 。 2016年5月 ， 一个国际团队使用平流层红外天文台(SOFIA)进行了三晚的观测（图3） ， 该SOFIA示波器具有辨别HeH+独特的旋转频率指纹所需的分辨率 。 于是科学家在一个地狱般的地方 ， 充斥着高温和高能量 ， 如同早期的宇宙那样的环境里 ， 小心翼翼地分辨出了HeH+的特征指纹 。 2019年4月17日 ， 由德国波恩的马克斯·普朗克射电天文学研究所的RolfGüsten领导的团队在《自然》杂志上发表了一篇报道 ， 预示了HeH+的发现[1] 。
展望未来：太空化学揭示更多起源
天体化学着眼于分子的最基本特性 ， 它有助于确定真正的键合、分子的保留时间以及为什么某些化学物种比其他化学物种更普遍 。 通过研究与地球相比环境迥异的太空中的化学分子 ， 我们可以找到挑战我们固有认知的分子 ， 并使我们对化学有更深入的了解 。 太空化学的终极目标是希望了解化学是如何形成现有的星系并最终使生命得以实现的 。
科学家们观察到了在宇宙中形成的第一个分子 ， 并确定了属于神秘DIB（Diffuse Interstellar Bands ， 弥散星际带）的第一个指纹 ， 其他难题也随之出现 。 天体化学家希望解决更棘手的问题 ， 例如“其余的DIB指纹是什么？” ， “生命的分子起源是什么？”和“对于形成固体行星而不是气体巨行星 ， 什么化学物质是必需的？”这一切研究都将从最简单的电子出发 ， 正是电子的共享在宇宙中产生了可观测的物质 。 当我们对这些化学过程有更深入的了解时 ， 我们将对天体物理学和宇宙的整体历史有更深入的了解 。
【1】Astrophysical detection of the helium hydride ion HeH+., Nature, 2019, 568, 357–359
【宇宙宇宙中第一个分子的前世今生】【2】First Molecule in the Universe,, Scientific American 322, 2, 58-65 (February 2020)


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