На початку, понад 13 мільярдів років тому, Всесвіт був недиференційованим «супом» з трьох простих, одноатомних елементів. Формування зір не відбувалося ще протягом 100 мільйонів років. Але упродовж 100 000 років після Великого Вибуху з’явилася перша молекула, неймовірний «шлюб» гелію і водню, відома як іон гідриду гелію, або HeH+.
«Це був початок хімії», — сказав Девід Нейфельд (David Neufeld), професор Університету Джона Гопкінса і співавтор дослідження, результати якого оприлюднено 17 квітня поточного року. «Формування HeH+ стало першим кроком на шляху збільшення складності у Всесвіті, щось на кшталт важливого переходу від одноклітинного до багатоклітинного життя на Землі», ― додав науковець.
Планетарна туманність NGC 7027 і молекула гідриду гелію, яка є комбінацію гелію (червоний) і водню (синій). Вона стала першим типом молекул, що коли-небудь утворювалися у ранньому Всесвіті. Обсерваторія SOFIA «СОФІЯ» вперше виявила гідрид гелію в сучасному Всесвіті. Фото з сайту https://phys.org.
Теоретичні моделі давно переконали астрофізиків, що HeH+ була першою, а за нею — в цілком визначеному порядку ― інші все більш складні й важкі молекули.
Молекулу HeH+ отримали в умовах лабораторії ще в 1925 році. Але виявити її в природному середовищі не вдавалося. «Відсутність остаточного доказу існування HeH+ в міжзоряному просторі тривалий час було проблемою в астрономії», — сказав головний автор дослідження Рольф Ґустен (Rolf Gusten) з Інституту радіоастрономії імені Макса Планка в Бонні.
Науковці знали, де шукати. Моделі, розроблені в 1970-х роках, вказували на те, що HeH+ має існувати в значній кількості в гарячих газах, які викидають сонячноподібні зорі наприкінці свого існування. Під час таких викидів виникають умови, подібні до тих, що існували в ранньому Всесвіті.
Крихка молекула
Проблема полягала в тому, що електромагнітні хвилі, які генерує молекула, лежать в далекому інфрачервоному діапазоні — таке випромінювання поглинає земна атмосфера, а тому його неможливо виявити із поверхні Землі.
NASA та Німецький аерокосмічний центр об’єднали зусилля і створили обсерваторію, оснащену 2,7-метровим телескопом та інфрачервоним спектрометром, на борту літака Boeing 747. Стратосферна обсерваторія для інфрачервоної астрономії (Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy, SOFIA) на круїзній висоті майже 14 000 метрів позбулася 85 % атмосферного «шуму» від якого «страждають» наземні телескопи.
Спектр HeH+ (його отримано з допомогою приймача GREAT, встановленого на борту SOFIA) з планетарної туманності NGC 7027. На зображенні ліворуч (його отримано з допомогою камери NICMOS, встановленої на Космічному телескопі імені Габбла) добре видно чітку перехідну зону між ділянкою іонізованого HII (біло-жовта) і прохолодною оболонкою (червоний колір). Молекула HeH+ формується (художник наніс її зображення на фото туманності) саме в цьому фронті іонізації. Інструмент GREAT охопив ділянку неба розміром 14,3 кутових секунд ― саме з неї надходить більша частина випромінювання туманності. Ширина профілю спектральної лінії HeH+ залежить від значення швидкості руху оболонки, що розширюється. Фото з сайту https://phys.org.
Спостережні дані, отримані протягом трьох польотів у травні 2016 року, містили докази існування молекули, яку науковці давно шукали. Її виявили у планетарній туманності NGC 7027, що лежить на відстані 3000 світлових років від Землі.
«Відкриття HeH+ ― драматична і красива демонстрація тенденції природи до формування молекул», — сказав Нейфельд. У цьому разі це було зроблено, незважаючи на несприятливі обставини.
Незважаючи на те, що температура в молодому Всесвіті швидко спала після Великого Вибуху, її значення все ще становило близько 4000 градусів Цельсія. Таке середовище є «ворожим» для встановлення молекулярних зв’язків. Ба більше, гелій ― «благородний» газ ― «має дуже низьку схильність до існування у формі молекули», ― пояснив Нейфельд.
Об’єднання з іонізованим воднем було не стійким і не зберігалося дуже довго. Натомість виникали міцніші й складніші молекулярні зв’язки.
Більш важкі елементи, такі як вуглець, кисень і азот, а також численні молекули, що об’єднують ці елементи, сформувалися пізніше під час ядерних реакцій у надрах зір.
За інф. з сайту https://phys.org підготував Іван Крячко
