在今天的宇宙中,我们看到物质会聚集在一起,形成巨大、复杂的结构,比如行星、恒星、星系......但这一切都是从何而来?回到亿年前,在大爆炸后,宇宙非常炙热。那时恒星、星团等还没有出现,有的只是少数的几种元素,其中大部分是氢和氦。随着宇宙的不断膨胀和冷却,在大爆炸核合成时期产生的轻元素便开始结合。
科学家认为,在大爆炸的10万年后,中性氦原子(He)与质子(实际上是带正电的氢离子,H)会开始反应,形成宇宙中的第一批分子:HeH(氦合氢离子)。这是宇宙演化的第一步。
氦合氢离子是早期宇宙形成的第一批分子。图片:NASA/AmesResearchCenter之后,HeH与氢原子反应,创造了形成氢分子的第一个路径,这为第一批恒星的形成奠定了基础。之后,在宇宙的漫长演化历史中,恒星逐渐创造了宇宙中的其他元素(比如碳、氧、氮等)。尽管HeH在早期宇宙历史上有着如此重要的位置,但在过去,科学家一直没有在星际空间中寻找到它的踪迹。
我们知道,氦本身是一种惰性气体,很难与其他原子结合。但在年,实验科学家设法让氦与氢离子共享一个电子,成功地在实验室中创造出了HeH。但是,我们真的可以找到这些诞生于早期宇宙的第一批分子吗?我们可能永远无法找到它们,因为它们在很久以前应该就已经消失了。然而,到了年代末,理论家预测这些分子很有可能在行星状星云中形成,因为在那里有着与早期宇宙相似的物理条件。
但40多年来,科学家并没有发现任何证据,这使得相关理论也受到了质疑。马克斯普朗克射电天文研究所的天文学家RolfGüsten表示:“宇宙的化学始于HeH。长久以来,由于缺乏能证明它存在于星际空间中的确凿证据,使得天文学陷入左右为难的处境。”年,天文学家再次瞄准了一个年轻的行星状星云:NGC。
行星状星云是一颗低质量到中等质量的恒星(比如我们的太阳)在耗尽其燃料后,将其外层抛出而形成的。外层的气体膨胀进入太空,形成通常有着环状或气泡状的星云。大约年前,威廉·赫歇尔称这些球状的云为行星状星云,因为它们像行星一样是圆的。在行星状星云的核心,会留下一颗炽热的白矮星。图中显示的是行星状星云NGC。图片:WILLIAMB.LATTER/SIRTFSCIENCECENTER/CALTECH,NASA,ESANGC距离地球大约光年,其中央的恒星是天空中已知最炽热(开尔文)、最明亮(太阳光度的一万倍)的恒星之一,它所释放的紫外辐射和热量创造了适合形成HeH的条件。但是,即使是离地球非常近的行星状星云,要从中探测到HeH也是一件非常棘手的事情。因为这些分子所释放的红外波很容易被地球的大气阻挡,因此地面上的望远镜根本无法用于观测。
相比于太空望远镜,SOFIA的一个优点是每次观测结束后都会返航,这使科学家可以更换仪器并且安装好最先进的技术。这种灵活性可以使我们不断地改善观测结果。图片:NASA为了解决这一问题,天文学家将高科技望远镜安装在了一架名为SOFIA(全称为“索菲亚平流层红外天文台”)的飞机上。他们将望远镜对准了NGC,并使用了一种类似于无线电接收器的仪器调频到HeH的发射”频率“上,就好比是把收音机调到喜欢收听的电台一样。
根据量子力学定律,每个分子都会以特定的频率释放辐射,这些频率可以被计算和在实验室中测量。这些独特的“指纹”可以通过光谱学的方法进行清晰的辨别。旋转的HeH离子的最低跃迁发生在GHz频率(对应于波长0.毫米)。图片:NIESYTOdesign,WilliamB.LatterandRolfGüstenandNASA/ESA4月17日Güsten与同事将最新发现发表在了《自然》期刊上:他们在NGC中首次探测到了HeH,最终确认了它们的确存在于星际空间之中。这一结果证实了我们对早期宇宙化学的基本理解,为数十年的搜索画上了一个圆满的句号。
博科园-科学科普|文:Zwicky转自:原理/principia博科园-传递宇宙科学之美
博科园-请看更多精彩内容:
每天次地震?发现近万次以前“隐藏”的地震!
美国“火星”号探测器蓄势待发!
虫洞不能让你回到过去,但可用来躲避星际战争?