绘图:Alison Mackey and William Zubak
下面这个问题或许能难倒你朋友圈中最懂科学的朋友:宇宙中最强的酸是什么?提示,这种酸甚至活跃到无法通过pH值来衡量其酸性。再试试这个问题:比水分子和氢分子更早出现,宇宙中第一个化学反应的产物是什么?
撰文 | Corey S. Powell
翻译 | 潘磊
审校 | 吴非
这两个问题的答案是同一种物质——氦合氢离子(HeH+)。布鲁塞尔自由大学的Jerome Loreau称它是“神秘的分子”(更确切地说,是“神秘的离子”,因为它带有一个正电荷)。化学老师大概教过你,稀有气体氦不会和任何物质反应。但事实证明,至少在某些条件下,老师说的完全不对。氦合氢离子很难获得,尽管它的诞生标记了宇宙演化的重要转折点,却不曾被大多数天文学家耳闻。它是化学诞生的第一步,也是恒星、行星与生命诞生的起点。
这让我想到了关于氦合氢离子最神秘的一点。“我们观察不到它,”Loreau小心翼翼地说道,“在某种意义上,它们在宇宙中是隐形的。”
不仅仅是HeH+,其他宇宙中的第一代分子都是研究者看不到的。这些失落的碎片组成了宇宙历史中一度被抹去的篇章。那是一个重要的时期,它有一个恰如其分的名字:“黑暗时代”(the Dark Ages)。
黑暗中的反应器
大爆炸后,在极其短暂的时间内,宇宙中充满了极为致密的高温物质和高能辐射。宇宙快速膨胀,同时温度不断降低。38万年后,当宇宙温度降到4000K,质子和电子能够结合成为氢原子。和此前浑浊的“粒子汤”不同,氢原子内部有大量的空隙,可以让辐射在黑暗的宇宙中开始相对自由地穿行。
这些辐射的遗迹现在仍能轻易观测到,这就是无处不在的宇宙微波背景辐射(CMB)。另一方面,物质开始变得不可见。直到几亿年后,宇宙的景象才再次被天文学家观测到。这时的宇宙中,已经出现大量成熟的原始星系。
中间的几亿年里发生了什么?没错,那是一段“黑暗时代”。
尽管我们无法直接看见“黑暗时代”,却能从种种蛛丝马迹中推测那时的宇宙。大爆炸理论精确地描述了宇宙初期的元素构成:氢、氦、氘(重氢)以及痕量的锂。这就是远古宇宙的全部。至于当时发生了什么?当宇宙冷却到能够形成氢原子时,这些元素也开始相互作用并键结成为分子。我们可以认为,就在宇宙进入“黑暗时代”的那一刻,化学诞生了。
氦合氢离子的结构
图片来源:CCOIL via Wikimedia Commons
“最初的化学反应非常简单,宇宙就是一个极其干净的化学实验室。”佐治亚大学的 Phillip Stancil说道。他和Loreau一样以HeH+为研究对象,但也着眼于更多早期宇宙中不断变化的化合物组成上。
Phillip要解决的问题是,我们如何确定HeH+是宇宙中第一个原子组合。HeH+由氦原子和质子构成,这个结构中的裸露质子,使HeH+成为非常强的酸,能够结合任何与它碰撞的物质。一旦HeH+形成,就会触发第一个氢分子的形成;很快会出现其他的原子组合,比如LiHe和H3+,这两种微粒都非常不稳定,因此不能在自然界中存在。
看见恒星
在黑暗中,化学的诞生正引发一场变革。
原子态的氢有一个独特的性质:如果你令一片由大量氢原子构成的星云坍缩,它会变得越来越热,直到原子热运动足以平衡坍缩的趋势。最终你得到了一片较小的,没有什么结构可言的星云。一个仅仅由氢原子组成的宇宙是何其单调无味。
但氦合氢离子的出现带来了有趣的变化。紧接着第一个氢分子产生,现代宇宙的组成得以在此基础上发展起来。Satncil解释说:“对分子来说有新的机制能在坍缩期间释放能量。”分子向外辐射能量,因此星云能进一步冷却并继续坍缩。尽管氢分子不是最佳的“冷却剂”,但足够让百万倍太阳质量的星云自发完成引力坍缩。这些星云后来演变成为最初的恒星。数十万年甚至百万年后,黑暗逐渐被照亮。
静待升空的詹姆斯·韦伯空间望远镜或许能找到宇宙中最早的分子。
图片来源:NASA/MSFC/David Higginbotham/Emmett Given
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