Ученые воссоздали первую молекулу Вселенной и разгадали загадку возрастом 13 млрд лет

Немецкие учёные из Института ядерной физики Макса Планка добились прорыва в понимании ранней Вселенной. Они впервые в лабораторных условиях воссоздали ключевую реакцию с участием первой молекулы во Вселенной — иона гидрида гелия (HeH+). Это открытие позволило по-новому взглянуть на процессы, которые привели к рождению первых звёзд.

Примерно через 380 тысяч лет после Большого взрыва Вселенная остыла достаточно, чтобы из ионизированной плазмы начали формироваться нейтральные атомы водорода и гелия. Именно тогда и возник гидрид гелия — простейшее соединение из нейтрального атома гелия и иона водорода — протона. Эта молекула стала отправной точкой для всей последующей химии космоса.

Молекула гидрида гелия была критически важной для появления первых звёзд. Чтобы из гигантских газовых облаков могли сформироваться звёзды, эти облака должны были остыть и сжаться под действием гравитации. Атомы водорода эффективно охлаждали газ лишь до температуры около 10 тысяч градусов. Дальнейшее охлаждение могли обеспечить только молекулы, и HeH+ был главным кандидатом на эту роль благодаря своей способности эффективно излучать энергию.

Авторы нового исследования использовали уникальную установку — криогенное накопительное кольцо. Внутри 35-метрового кольца они удерживали ионы HeH+ при температуре всего на несколько градусов выше абсолютного нуля (-267°C), имитируя условия «тёмных веков» Вселенной. Затем они сталкивали эти ионы с пучком нейтральных атомов дейтерия — изотопа водорода, я ядре которого кроме протона имеется ещё и нейтрон.

Результаты эксперимента оказались неожиданными. Вопреки существовавшим теориям, которые предсказывали замедление реакции при сверхнизких температурах, скорость реакции оставалась практически постоянной. Это означает, что гидрид гелия разрушался в столкновениях с водородом гораздо активнее, чем предполагалось ранее. Следовательно, его влияние на химию ранней Вселенной было значительно более важным.

Это открытие заставило теоретиков пересмотреть свои расчёты. В итоге была обнаружена ошибка в вычислениях, которая присутствовала во всех предыдущих моделях этой реакции. Новые теоретические расчёты, исправленные с учетом ошибки, теперь полностью согласуются с данными, полученными в ходе эксперимента. Таким образом, учёные смогли решить загадку, которая оставалась неясной на протяжении десятилетий.