Найдена первая молекула Вселенной

После долгих поисков исследователям удалось поймать HeH+ в этой планетарной туманности Фото: Hubble/NASA/ESA

На заре жизни нашей Вселенной набор химических реакций, протекавших в ней, был довольно ограничен. Согласно самой убедительной на сегодня теории Большого взрыва, когда температура молодой расширяющейся Вселенной упала ниже 3700°C, ядра легких элементов, образовавшиеся в процессе первичного нуклеосинтеза, связались с электронами. Сначала электронной оболочкой обзавелось ядро гелия, а затем водорода — образовались атомы гелия и водорода.

Атомы гелия, сталкиваясь с ядрами водорода — протонами, еще лишенными электронов, образовали первую химическую связь во Вселенной. В соответствии с гипотезами, описывающими процессы, протекавшие в самом начале, первой частицей с ковалентной связью стал гидрид гелия (ион HeH⁺). К этому иону мог присоединиться еще один электрон, в результате чего частица распадалась бы на атом гелия и атом водорода, а атомы водорода рекомбинировали бы с образованием первого устойчивого соединения — молекулярного водорода H₂.

Ученые предполагают, что гидрид гелия сыграл важную роль в эволюции Вселенной. Однако обнаружить этот ион в космическом пространстве никак не удавалось. В лабораторных условиях HeH+ получили еще в 1925 году, но лишь в 1970-е годы астрофизики предположили, что ион и сегодня существует в космосе. И вот астрономы его обнаружили («Nature» 2019, 568, 357–359, doi: 10.1038/s41586-019-1090-x). Раз его существование доказано, то теперь можно проверить модели возникновения и эволюции ранней Вселенной.

Спектральные линии гидрида гелия идентифицировал Рольф Гюштен из Института радиоастрономии имени Макса Планка, разместив телескоп со спектрометром на самолете. Он обнаружил его в планетарной туманности NGC 7027 — ученые считали, что это одно из мест, где ион находится с наибольшей вероятностью. Планетарные туманности образуются после коллапса звезд, подобных нашему Солнцу. После разрушения звезды высвобождается газовая оболочка, в центре которой остается ее остывающее ядро — белый карлик. Группа Гюштена нашла HeH+ внутри газовой оболочки.

Обнаружить HeH⁺ было действительно не так просто. Ученые рассчитали, что его характерный спектральный сигнал должен иметь длину волны 149,1 мкм, но совсем рядом с ним находится сигнал связи С–Н (149.09 мкм), часто маскирующий сигнал HeH⁺. Также поискам могут мешать сигналы воды и других веществ, содержащихся в земной атмосфере. Исследователи решили исключить хотя бы часть факторов. В 2016 году они поместили сверхчувствительный телескоп-спектрометр на самолет, который поднял прибор на высоту 12 000 метров. Так удалось избежать помех, вызванных плотными слоями атмосферы, и наконец поймать спектральные сигналы HeH⁺, частично перекрывшиеся с сигналами C–H.

Вместо того чтобы с облегчением вздохнуть, исследователи теперь решают следующую загадку. Дело в том, что, по оценкам Гюштена, иона HeH⁺ в туманности NGC 7027 оказалось примерно в три раза больше, чем было просчитано теоретически. Неточно смоделировали? Ошиблись при интерпретации зарегистрированных спектров? Возможно, это станет ниточкой, потянув за которую можно будет уточнить и основную теорию.

Эта статья доступна в печатном номере "Химии и жизни" (№ 6/2019) на с. 20 — 21.