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宇宙最强的酸!大爆炸后第一个化学反应产物被

2019-10-09 16:52

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行星状星云NGC 7027与氦合氢离子结构图。

图片来源:NASA/SOFIA/L. Proudfit/D.Rutter

在宇宙初期,化学是怎样诞生的?数十年前,就有科学家提出,氦合氢离子是宇宙中的第一个化学反应产物,但科学家一直无法证实该物质存在于宇宙环境中。终于,在最新的《自然》杂志中,科学家从行星状星云NGC 7027中探测到HeH+,这是人们首次在宇宙中探测到这种离子。

撰文 | 张华

从古至今,总有一些基本问题隐藏了很深的科学道理,比如先有蛋白质还是先有核酸?要回答这个问题,必须要用演化论的眼光,追溯到生命起源的最初时刻。

当然,打开元素周期表,类似的问题还有很多,比如恒星给我们造就了铁,超新星给我们造就了金。那么一直朝宇宙早期追溯,一个类似的问题就浮现出来:“先有氢还是先有氦?”

在元素周期表中,第1号元素氢以及第2号元素氦的地位非常特别。在任何单位,1号与2号都是激烈的竞争者。

先有氢还是先有氦?

这个问题还真是蛮重要的。当然了,这个问题的答案还得分成两部分来说。

对于氢原子核与氦原子核来说,在宇宙大爆炸早期,存在一个“原初核合成”阶段。在这个阶段,首先产生氢原子核,然后再有氦原子核。

氢原子核其实就是质子,质子的质量1.6726231 × 10-27kg,如果用爱因斯坦的质能方程E=MC2来换算,质子的质量是938百万电子伏特,而每一个电子伏特大概相当于1万摄氏度。因此,只要宇宙的温度降低到9 380 000百万摄氏度的时候,质子就会在宇宙中产生。通过与宇宙大爆炸一开始的普朗克能标做比对,根据宇宙早期辐射为主的特点,可以计算出氢核是在宇宙大爆炸后1秒钟的时候就形成了。

而氦原子核是在宇宙大爆炸后3分钟才开始形成的。

所以,氢原子核的出现要早于氦原子核。而我们知道,元素的地位是由原子核的地位决定的,所以在这个意义上,氢先于氦出现。

当然,事情并没有那么简单——化学家不这样看。因为对化学家来说,原子更重要,光看原子核是不行的。

对于氢原子与氦原子来说,它们不但有原子核,还需要结合电子才可以形成原子。出人意料的是,在宇宙大爆炸的早期,氦原子的形成要早于氢原子的形成。

对于宇宙早期发生的天文现象,天文学家观测到的是光谱线。而宇宙是在膨胀的,所以越是宇宙早期的天文现象,其相对应的光谱波长越容易被宇宙膨胀所拉长,产生所谓的“红移”现象。

所以知道了“红移”,也就知道了宇宙学意义上的“时间”,宇宙学家经常用红移来标记时间。比如宇宙诞生后38万年,光子开始变得自由,最后形成今天看到的宇宙微波背景辐射。宇宙诞生后38万年,按照宇宙学家的说法,也就是红移1100的时候。

香港科技大学物理系的王一老师在接受《环球科学》采访时表示:“中性的氦原子是在红移约2000的时候出现的,而中性的氢原子在红移1100的时候出现。”

中性氢原子出现的时间,也就是宇宙微波背景辐射出现的时间——那时候就是宇宙38万岁的时候,也就是红移1100的时候。

红移的数值越大,表示距离现在的时间越久远,也意味着这个原子出现的时间越古老。氦原子光谱的红移比氢原子更大,氦原子才是宇宙中第一个出现的原子。

当然,我们也可以用量子力学来解释为什么氦原子会比氢原子更早在大爆炸核合成过程中出现:氦离子He2+和He+具有比H+更高的电离势,所以它们可以率先与自由电子结合,形成第一个中性原子。

以上就是整个事情的两个侧面。

HeH+是宇宙中第一个分子?

我们有了氢与氦,这相当于宇宙中的物质有了基础材料,后面的故事就更多了。这些材料间的第一次化学反应是怎样进行的,它的产物是什么?

20世纪70年代,就有天文学家提出,中性氦原子与质子结合形成氦合氢离子,这正是宇宙化学反应的开端。

HeH+看起来很简单,它就是一个氦原子结合一个质子形成的。这叫做分子离子——因为它看起来像分子,但其实是一个离子。但科学家认为HeH+比氢分子更早在宇宙中出现,所以在理论上它是宇宙中第一个分子离子。

早在1925年,化学家霍格内斯(T. R. Hogness)与伦恩(E. G. Lunn)在就地球实验室中合成出这种分子离子。但在宇宙中,科学家始终没有发现HeH+的踪迹。

近100年过去了,到了2019年4月17日,科学家终于取得了突破:美国航空航天局与德国航空航天中心的联合项目——同温层红外观测台的高分辨率GREAT分光仪,检测到HeH+发射的红外线。这一结果发表在《自然》杂志上。

HeH+在宇宙中被找到了!

能证明HeH+来自宇宙早期吗?

本次对HeH+的天文发现是由德国马克斯·普朗克射电所的拉尔夫·古斯滕(rolf Güsten)等人完成的。他们依靠的是同温层红外观测台的高分辨率GREAT分光仪。

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同温层红外观测台(图片来源:NASA photo / Jim Ross)

这些分光仪的数据是在2016年5月同温层红外观测台在飞机上飞行3次后得到的。通过这些数据可以分析出NGC 7027星云中存在HeH+。

不过,这次探测到的氦合氢离子虽然是在宇宙中,但一定不是在宇宙极早期形成的。

为什么会这样呢?因为本次探测到HeH+的NGC 7027星云中距离我们地球只有3000光年,这在宇宙学意义上来说是一个很近的距离。而且本次观测到的HeH+的谱线红移等于零,所以它绝不是来自于宇宙早期。前面已经说到,如果是宇宙早期出现的HeH+,那么其红移应该介于1100与2000之间,接近于宇宙微波背景辐射的红移。

拉尔夫·古斯滕在论文中提到的NGC 7027是一个年轻的星云,他们认为其条件类似于早期宇宙的物理条件,因此这在一定程度上也可以证明早期宇宙中也有HeH+存在——不过这理由看起来似乎有点勉强了。

如果想要证明早期宇宙中确实存在HeH+,那么必须要探测到高红移的HeH+谱线。

所以,HeH+虽然在宇宙中被找到了,但要说它是宇宙中第一个分子,还需要证明它真的很老——需要找到HeH+的高红移谱线才行。

宇宙中最强的酸

既然在宇宙中已经找到了HeH+,那么它到底是一种什么样的物质呢?化学家猜测,它可能是宇宙中最强的酸。

HeH+是由氦原子和质子构成,而在这个结构中质子是完全裸露的,这使HeH+能够结合任何与它碰撞的物质分子中的电子——这就表现出极大的酸性。

尽管目前还不能确认HeH+是不是宇宙中的产生的第一个分子,但这次发现仍然是一个积极信号,这说明HeH+确实可以在星际空间中存在。而HeH+是形成氢分子的祖宗,它也为在星际空间中寻找中性氢提供了一个有价值的线索。

无论怎么样,这都是科学的胜利。

原始论文:Nature , volume 568, 357–359

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