黑暗中的反应器

文章作者:管理一号 | 2019-01-25
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绘图:Alison Mackey and William Zubak

来历:举世科学ScientificAmerican

下面这个问题或许能难倒你朋友圈中最懂科学的朋友:世界中最强的酸是什么?提示,这种酸乃至活泼到无法经过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呈现,世界中榜首个化学反响的产品是什么?

这两个问题的答案是同一种物质——氦合氢离子(HeH+)。布鲁塞尔自在大学的Jerome Loreau称它是“奥秘的分子”(更切当地说,是“奥秘的离子”,由于它带有一个正电荷)。化学教师大约教过你,稀有气体氦不会和任何物质反响。但事实证明,至少在某些条件下,教师说的彻底不对。氦合氢离子很难取得,虽然它的诞生标记了世界演化的重要转折点,却不曾被大多数天文学家耳闻。它是化学诞生的榜首步,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奥秘的一点。“咱们调查不到它,”Loreau小心谨慎地说道,“在某种意义上,它们在世界中是隐形的。”

不只是是HeH+,其他世界中的榜首代分子都是研讨者看不到的。这些丢失的碎片组成了世界前史中一度被抹去的华章。那是一个重要的时期,它有一个恰如其分的姓名:“漆黑年代”(the Dark Ages)。

黑私自的反响器

大爆破后,在极端时间短的时间内,世界中充满了极为细密的高温物质和高能辐射。世界快速胀大,一起温度不断下降。38万年后,当世界温度降到4000K,质子和电子可以结合成为氢原子。和此前污浊的“粒子汤”不同,氢原子内部有很多的空地,可以让辐射在漆黑的世界中初步相对自在地穿行。

这些辐射的遗址现在仍能容易观测到,这就是无处不在的世界微波布景辐射(CMB)。另一方面,物质初步变得不行见。直到几亿年后,世界的现象才再次被天文学家观测到。这时的世界中,现已呈现很多老练的原始星系。

中心的几亿年里发生了什么?没错,那是一段“漆黑年代”。

虽然咱们无法直接看见“漆黑年代”,却能从种种蛛丝马迹中估测那时的世界。大爆破理论精确地描绘了世界初期的元素构成:氢、氦、氘(重氢)以及痕量的锂。这就是远古世界的悉数。至于其时发生了什么?当世界冷却到可以构成氢原子时,这些元素也初步相互作用并键结成为分子。咱们可以以为,就在世界进入“漆黑年代”的那一刻,化学诞生了。

 氦合氢离子的结构

“开始的化学反响十分简略,世界就是一个极端洁净的化学实验室。”佐治亚大学的 Phillip Stancil说道。他和Loreau相同以HeH+为研讨目标,但也着眼于更多前期世界中不断改变的化合物组成上。

Phillip要处理的问题是,咱们怎么断定HeH+是世界中榜首个原子组合。HeH+由氦原子和质子构成,这个结构中的暴露质子,使HeH+成为十分强的酸,可以结合任何与它磕碰的物质。一旦HeH+构成,就会触发榜首个氢分子的构成;很快会呈现其他的原子组合,比方LiHe和H3+,这两种微粒都十分不安稳,因而不能在自然界中存在。

看见恒星

在黑私自,化学的诞生正引发一场革新。

原子态的氢有一个共同的性质:假如你令一片由很多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。终究你得到了一片较小的,没有什么结构可言的星云。一个只是由氢原子组成的世界是何其单调无味。

但氦合氢离子的呈现带来了风趣的改变。紧接着榜首个氢分子发生,现代世界的组成得以在此基础上发展起来。Satncil解说说:“对分子来说有新的机制能在坍缩期间开释能量。”分子向外辐射能量,因而星云能进一步冷却并持续坍缩。虽然氢分子不是最佳的“冷却剂”,但满足让百万倍太阳质量的星云自发完结引力坍缩。这些星云后来演化成为开始的恒星。数十万年乃至百万年后,漆黑逐步被照亮。

静待升空的詹姆斯·韦伯空间望远镜或许能找到世界中最早的分子。

榜首代恒星个头过大,极不安稳。它们经过内部的核反响敏捷构成更重的元素,然后以剧烈的超新星爆破完毕时间短的终身。在爆破进程中,碳、氧和硅元素散播至周围的星云,并将世界的化学引进第二个阶段。两种新化合物——水和一氧化碳呈现,它们大幅进步星云冷却的功率,催生出数量巨大的更小的恒星。飘散的星尘颗粒组成了星体的固态外表,催生了更杂乱的化学进程。终究,氢和氦的组合退出了前史舞台,让坐落世界中的灿烂星系。

在呈现榜首束光的年代,还存在一些更令人注目的工作。哈佛大学的Avi Loeb指出,这时世界全体温度为大约300K(约27摄氏度),这意味着整个世界都处于合适生物生计的环境。

一起,那些爆破的恒星都在开释碳、氧、氮、磷等构成生命的根本元素。Loeb将每颗爆破的恒星描述成一个孵化母体,它在周围开释一连串包括重要元素的“气泡”。他很猎奇,“漆黑年代”的完毕是否也是世界中生命的初步。

智力的射电望远镜阵列ALMA

时间短的人类寿数看不尽绵长世界史的一瞬。走运的是,一些阅历了“漆黑年代”的原始化合物保留了下来。相关化学核算标明,咱们应该能在悠远星系和超新星周围的星云中找到HeH+,乃至内行星状星云中也有或许。(行星状星云是恒星演化至红巨星晚期,气体壳层向外胀大并被电离后构成的发射星云)。可是至今,寻觅HeH+的尽力还没有得到报答。

“还没有调查到,但并不意味它不在那里,”Stancil说,“它或许刚好低于检测极限。”他例子说,天文学家直到20世纪90年代才发现重要的分子H3 +,“由于咱们的确不知道应该看向哪里。”

至于HeH+,Stancil寄希望于两个新设备:智利的射电望远镜阵列ALMA和哈勃望远镜的接任者——没有发射的詹姆斯·韦伯空间望远镜。它们的灵敏度虽不足以观测到榜首代恒星,可是经过这些恒星构成的星团亮光,或许可以看到被照亮的世界前期分子。

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