Физикам впервые удалось воспроизвести химические реакции, которые происходили сразу после Большого взрыва, в условиях, близких к ранней Вселенной.
Команда исследователей под руководством Флориана Грусси из Института ядерной физики Макса Планка (Германия) изучила поведение иона гидрида гелия (HeH+) — молекулы, образованной нейтральным атомом гелия и ионизированным атомом водорода. Эти реакции стали первым шагом к формированию молекулярного водорода (H₂), самого распространенного вещества во Вселенной и основного строительного материала для звезд. Новое исследование проливает свет на процессы, которые привели к появлению современной структуры космоса.
Около 13,8 миллиардов лет назад Вселенная представляла собой горячую и плотную плазму, где из-за экстремальных температур атомы не могли существовать. Лишь спустя 380 тысяч лет, когда вещество остыло, начали формироваться первые элементы — в основном водород (75%) и гелий (25%), с небольшими следами лития.
Однако для образования молекулярных облаков, из которых рождаются звезды, требовался механизм охлаждения. Ученые полагают, что ключевую роль в этом сыграл ион HeH+, обладающий значительным разделением зарядов. В электрическом поле такая молекула способствует рассеиванию тепла, что теоретически помогло ранней Вселенной остыть достаточно для начала звездообразования.
Эксперимент проводился в Криогенном накопительном кольце Института Макса Планка, где создаются условия, близкие к глубокому космосу — температура около -267°C (всего на несколько градусов выше абсолютного нуля). Исследователи изучали взаимодействие HeH+ с атомом дейтерия (тяжелого изотопа водорода). В результате реакции образовывались нейтральный гелий и молекула HD+ (водород-дейтерий), обладающая меньшей энергией.
Ученые изменяли скорость частиц в пучках, имитируя разные температуры, чтобы проверить, влияет ли этот параметр на скорость реакции. Оказалось, что температура не играет роли — реакция протекала с постоянной скоростью. Это означает, что вклад HeH+ в охлаждение ранней Вселенной и формирование первых звезд был более значительным, чем считалось ранее.
«Предыдущие теории предсказывали, что при низких температурах вероятность реакции снижается, но наши эксперименты и расчеты этого не подтвердили«, — поясняет физик Хольгер Креккель из Института Макса Планка.
Исследование опубликовано в журнале Astronomy & Astrophysics.