文章來源于新發(fā)現(xiàn)雜志 ，作者J Veyrieras

　　這場持續(xù)了上百年的探索終于有所收獲。一支天文學(xué)團(tuán)隊(duì)通過探測星云，找到了宇宙第一種分子HeH+存在的證據(jù)，描繪出宇宙中化學(xué)反應(yīng)的誕生過程。

　　“這天空真是絕妙！”

　　在2019年7月13日那個清澈的夜晚，萬事俱備，只待收集一束在太空中傳播了3000年的光。

　　遙遠(yuǎn)的 NGC 7027 星云該星云距地球 3000 光年，在其中心恒星的強(qiáng)光照射下，星云氣體包層里的化學(xué)反應(yīng)不斷增加。

　　馬普射電天文學(xué)研究所的赫爾穆特·威斯邁爾（Helmut Wiesemeyer）領(lǐng)導(dǎo)的這支團(tuán)隊(duì)由德國和美國的天體物理學(xué)家組成，他們知道機(jī)不可失，尤其是能得到海拔4168米的夏威夷莫納克亞天文臺享有盛名的美國國家航空航天局紅外望遠(yuǎn)鏡（NASA IRTF）的特許使用權(quán)。

　　如果一切順利，研究將得出近幾十年來天體化學(xué)中最重要的結(jié)論之一。他們?yōu)橹睆?米的天文望遠(yuǎn)鏡配備了能夠精確測量紅外線強(qiáng)度的階梯光柵光譜儀iSHELL，將它對準(zhǔn)天鵝座方向上的NGC 7027星云——這是600年前一顆紅巨星爆炸后留下的一團(tuán)行星狀氣體云。

　　2019 年 7 月，NASA 的 ITFR 望遠(yuǎn)鏡在波長 3.51629 微米和 3.60776微米處發(fā)現(xiàn)了兩個紅外信號。

　　這個富含碳元素的星云因易于觀察而成為了天體化學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，且其中心白矮星強(qiáng)烈的紫外輻射（比太陽亮一萬倍）能促進(jìn)許多化學(xué)反應(yīng)。

　　因此，NGC 7027星云是人類了解原子在冷寂的星際空間中聚集并逐漸形成大分子、乃至富勒烯（C60和C70）的理想場所。更重要的是，這里也是“圍獵”一個特殊分子的場地。

　　自1925年被兩位美國化學(xué)家合成以來，這個所謂的氦合氫離子（HeH+）困擾了天體化學(xué)家近一個世紀(jì)：作為宇宙中誕生的第一種分子，正是它將原子的宇宙轉(zhuǎn)變成了分子的宇宙！

　　始于被孤立的氫核

　　事實(shí)上，科學(xué)家用來描述宇宙初期的模型十分清晰：在宇宙大爆炸38萬年后，宇宙的溫度降至4000?K以下，電子的隨機(jī)運(yùn)動逐漸變得緩慢，以至于能被呈正電性的氫核（單個質(zhì)子）和氦核（由兩個質(zhì)子和兩個中子構(gòu)成）捕獲形成氫原子和氦原子。

　　而此前被電子束縛的光子也得以掙脫（光子退耦），并就此在整個宇宙中自由傳播，形成了我們至今仍能觀測到的宇宙微波背景輻射——與此同時，氦合氫離子登場了。

　　1。 大爆炸后38 萬年：仍然沒有電子的少數(shù)氫核與氦核（1）碰撞形成第一種分子 HeH + （2）。

　　“99.99%的氫核捕獲到了電子，但仍然存在著一小部分非常關(guān)鍵的無電子氫核。”智利康塞普西翁大學(xué)宇宙原初化學(xué)家斯特凡諾·博維諾（Stefano Bovino）解釋說。這些被電子孤立的氫核很快與新形成的氦原子發(fā)生碰撞，并借助恢復(fù)自由的光子的相互作用產(chǎn)生了宇宙中的第一個化學(xué)鍵。

　　“這標(biāo)志著宇宙中化學(xué)反應(yīng)的開端。”博維諾強(qiáng)調(diào)道。“這種離子在宇宙的化學(xué)與分子演化過程中起著至關(guān)重要的作用。”威斯邁爾的同事拉爾夫·古斯滕（Rolf Güsten）強(qiáng)調(diào)說。

　　更何況氦合氫離子還是最強(qiáng)的酸，具有極高的反應(yīng)活性，它一誕生就可以引出氫氣——宇宙中第二種分子——的生成。

　　2。 接下來的數(shù)百萬年：HeH + 始終保持著極高的反應(yīng)活性，能使氫原子形成氫分子離子 H 2+ （3），H2+迅速捕獲電子（4），形成氫氣分子 H 2 （5），后者接著聚集成巨大的氣體云。

　　氫分子隨后迅速聚集成巨大的氣體云，它在引力作用下坍縮，點(diǎn)燃了第一批恒星。這些恒星又通過其中心的核反應(yīng)產(chǎn)生了新的元素：碳、氧、氮、鐵，等等。

　　3。 又過了幾億年：氫氣云坍縮并形成了第一批恒星，這些恒星死亡時會噴射出新的原子和更復(fù)雜的分子，比如水分子。

　　4。 時至今日：宇宙的化學(xué)復(fù)雜度不斷增長，而相關(guān)過程由恒星鍛造出的新原子持續(xù)推進(jìn)著。人體 DNA 中的有機(jī)分子甚至在若干星云中被發(fā)現(xiàn)了……

　　隨后恒星死去，留下一片沐浴在其余暉中的塵埃云——待其中的分子重新聚集，會形成新的恒星和行星，循環(huán)往復(fù)……直至45億年前地球的出現(xiàn)，而彼時距宇宙大爆炸已然過去了93億年。

　　由于反應(yīng)活性太高，氦合氫離子十分不穩(wěn)定以致如今難覓蹤跡，但它仍沒完全消失。“這是一種奇特且不穩(wěn)定的分子，只能在極端且非常特殊的條件下出現(xiàn)。”斯特凡諾·博維諾指出。但可以肯定的是，如果氦合氫離子仍藏身于宇宙的某處，那其中必少不了NGC 7027星云。

　　美國約翰斯·霍普金斯大學(xué)天體物理學(xué)家、天體化學(xué)家大衛(wèi)·諾伊費(fèi)爾德（David Neufeld）認(rèn)為：“這種離子可能會在緊挨著白矮星的第一層氦包層和并入星云的第二層氫包層之間的交界面處大量形成。”白矮星的紫外輻射促進(jìn)了氦的電離，形成由氦正離子（He+）構(gòu)成的等離子體，隨后與氫包層在某些地方混合。

　　He+極度渴求電子，奪取氫原子電子的同時也捎帶了它的質(zhì)子（氫原子由一個電子和一個質(zhì)子構(gòu)成），于是便形成了HeH+分子——這是自1970年代以來學(xué)界認(rèn)同的理論模型，諾貝爾化學(xué)獎得主、德裔加拿大科學(xué)家格哈德·赫茨伯格（Gerhard Herzberg）還撰寫過一篇相關(guān)論文。

　　格哈德·赫茨伯格

　　在1980年代初，加拿大赫茨伯格天體物理學(xué)研究所的一支團(tuán)隊(duì)認(rèn)為氦合氫離子是能夠被檢測到的：當(dāng)氦合氫離子被激發(fā)時，由于其量子性質(zhì)，氦合氫離子會以兩個精確的波長（3.51629微米和3.60776微米）發(fā)射光子，而這微弱的光學(xué)特征理論上能被紅外望遠(yuǎn)鏡捕捉到。“于是他們聯(lián)系了我。”法國天體物理學(xué)家讓-皮埃爾·邁亞爾（Jean-Pierre Maillard）回憶說。

　　CFT望遠(yuǎn)鏡

　　1988年，邁亞爾使用CFT望遠(yuǎn)鏡（加拿大-法國-夏威夷望遠(yuǎn)鏡）以及他設(shè)計的高分辨率紅外光譜儀開始了對星空的首次觀測，這也是學(xué)術(shù)界首次對氦合氫離子的天文探測。

　　探測目標(biāo)毫無疑問是NGC 7027星云，期望卻落空了，他們當(dāng)時并沒有檢測到那兩條紅外譜線，很難斷定這是由于檢測儀器的極限還是因?yàn)楦静淮嬖诤ず蠚潆x子。之后又有兩個團(tuán)隊(duì)在1990年末和2000年初憑借改進(jìn)的紅外傳感器探測可能存在于NGC 7027星云的氦合氫離子，卻始終一無所獲。

　　驗(yàn)明正身

　　于是來到了2019年7月的這個“絕妙”之夜。與邁亞爾、威斯邁爾和古斯滕的初次嘗試不同，大衛(wèi)·諾伊費(fèi)爾德和他的同事們?nèi)缃衲軌驊{借更詳細(xì)的信息精確地描述星云的結(jié)構(gòu)。

　　事實(shí)上，這個團(tuán)隊(duì)已經(jīng)率先取得了巨大進(jìn)展：2019年3月，他們發(fā)布了借助NASA安裝在一架波音747上的2.5米口徑天文望遠(yuǎn)鏡，即“平流層紅外線天文臺”（SOFIA）進(jìn)行的首次探測結(jié)果。

　　首個捷報便是氦合氫離子的另一條更為基礎(chǔ)的紅外譜線正好位于預(yù)期的149.137微米附近，而它只能在地球大氣層的邊界處觀察到。“大氣層吸收了這種輻射，因此我們無法在地面上觀察到它。”拉爾夫·古斯滕解釋說。

　　所以幾乎可以肯定氦合氫離子就在NGC 7027星云，但仍有必要確認(rèn)上述的3.51629微米和3.60776微米的這兩條譜線，它們將無可辯駁地證實(shí)氦合氫離子的存在。“經(jīng)過數(shù)十年毫無進(jìn)展的探索，第一個積極的結(jié)果非常振奮人心。”諾伊費(fèi)爾德回顧道。

　　在2019年7月的這一晚，距讓-皮埃爾·邁亞爾三十多年前開啟這項(xiàng)探索僅幾百米處，整個檢測過程終于完成：IRFT望遠(yuǎn)鏡和iSHELL光譜儀的結(jié)合記錄了這兩條動人的紅外譜線。

　　IRFT望遠(yuǎn)鏡

　　“這是天文學(xué)上首個證明宇宙原始化學(xué)理論模型是正確的證據(jù)。”斯特凡諾·博維諾評價道。近年來，面對關(guān)于復(fù)雜有機(jī)分子的天文探測結(jié)果紛至沓來，天體化學(xué)家有些不知所措，而這個結(jié)果無疑將成為新的圭臬。“數(shù)百種化學(xué)物質(zhì)在塵埃云中產(chǎn)生相互作用，引發(fā)成千上萬種受輻射影響的化學(xué)反應(yīng)，而我們?nèi)匀粺o法對這種復(fù)雜性進(jìn)行建模。”博維諾坦言。

　　確認(rèn)NGC 7027中氦合氫離子的存在夯實(shí)了宇宙化學(xué)領(lǐng)域的地基，為理論家提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，也許還能帶來更復(fù)雜、精準(zhǔn)的相關(guān)模型。

　　此外，這個成果同樣激勵著那些在實(shí)驗(yàn)室里模擬宇宙極端條件以重現(xiàn)相應(yīng)化學(xué)反應(yīng)的天體化學(xué)研究人員。一支德國科研團(tuán)隊(duì)便重燃了對氦合氫離子的熱情，在實(shí)驗(yàn)臺上重現(xiàn)了它在宇宙初期的誕生。

　　隨后他們通過探測宇宙微波背景輻射，證實(shí)了氦合氫離子確實(shí)是宇宙中的第一種分子。“這是我目前主導(dǎo)的工作進(jìn)展之一，與CNES（法國國家空間研究中心）的一個空間望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目有所聯(lián)系。”讓-皮埃爾·邁亞爾表示。盡管方才驗(yàn)明正身，對氦合氫離子的新探索已然開啟！

　　撰文 Jean-Baptiste Veyrieras

　　編譯 唐悅