科学家通过探测3000光年外的星云，找到了宇宙的第一种分子
新发现杂志
08-23 11:05
这场持续了上百年的探索终于有所收获。一支天文学团队通过探测星云，找到了宇宙第一种分子HeH+存在的证据，描绘出宇宙中化学反应的诞生过程。
“这天空真是绝妙！”
在2019年7月13日那个清澈的夜晚，万事俱备，只待收集一束在太空中传播了3000年的光。
遥远的 NGC 7027 星云该星云距地球 3000 光年，在其中心恒星的强光照射下，星云气体包层里的化学反应不断增加。
马普射电天文学研究所的赫尔穆特·威斯迈尔（Helmut Wiesemeyer）领导的这支团队由德国和美国的天体物理学家组成，他们知道机不可失，尤其是能得到海拔4168米的夏威夷莫纳克亚天文台享有盛名的美国国家航空航天局红外望远镜（NASA IRTF）的特许使用权。
如果一切顺利，研究将得出近几十年来天体化学中最重要的结论之一。他们为直径3米的天文望远镜配备了能够精确测量红外线强度的阶梯光栅光谱仪iSHELL，将它对准天鹅座方向上的NGC 7027星云——这是600年前一颗红巨星爆炸后留下的一团行星状气体云。
2019 年 7 月，NASA 的 ITFR 望远镜在波长 3.51629 微米和 3.60776微米处发现了两个红外信号。
这个富含碳元素的星云因易于观察而成为了天体化学领域的研究热点，且其中心白矮星强烈的紫外辐射（比太阳亮一万倍）能促进许多化学反应。
因此，NGC 7027星云是人类了解原子在冷寂的星际空间中聚集并逐渐形成大分子、乃至富勒烯（C60和C70）的理想场所。更重要的是，这里也是“围猎”一个特殊分子的场地。
自1925年被两位美国化学家合成以来，这个所谓的氦合氢离子（HeH+）困扰了天体化学家近一个世纪：作为宇宙中诞生的第一种分子，正是它将原子的宇宙转变成了分子的宇宙！
始于被孤立的氢核
事实上，科学家用来描述宇宙初期的模型十分清晰：在宇宙大爆炸38万年后，宇宙的温度降至4000 K以下，电子的随机运动逐渐变得缓慢，以至于能被呈正电性的氢核（单个质子）和氦核（由两个质子和两个中子构成）捕获形成氢原子和氦原子。
而此前被电子束缚的光子也得以挣脱（光子退耦），并就此在整个宇宙中自由传播，形成了我们至今仍能观测到的宇宙微波背景辐射——与此同时，氦合氢离子登场了。
1. 大爆炸后38 万年：仍然没有电子的少数氢核与氦核（1）碰撞形成第一种分子 HeH + （2）。
“99.99%的氢核捕获到了电子，但仍然存在着一小部分非常关键的无电子氢核。”智利康塞普西翁大学宇宙原初化学家斯特凡诺·博维诺（Stefano Bovino）解释说。这些被电子孤立的氢核很快与新形成的氦原子发生碰撞，并借助恢复自由的光子的相互作用产生了宇宙中的第一个化学键。
“这标志着宇宙中化学反应的开端。”博维诺强调道。“这种离子在宇宙的化学与分子演化过程中起着至关重要的作用。”威斯迈尔的同事拉尔夫·古斯滕（Rolf Güsten）强调说。
更何况氦合氢离子还是最强的酸，具有极高的反应活性，它一诞生就可以引出氢气——宇宙中第二种分子——的生成。
2. 接下来的数百万年：HeH + 始终保持着极高的反应活性，能使氢原子形成氢分子离子 H 2+ （3），H2+迅速捕获电子（4），形成氢气分子 H 2 （5），后者接着聚集成巨大的气体云。
氢分子随后迅速聚集成巨大的气体云，它在引力作用下坍缩，点燃了第一批恒星。这些恒星又通过其中心的核反应产生了新的元素：碳、氧、氮、铁，等等。
3. 又过了几亿年：氢气云坍缩并形成了第一批恒星，这些恒星死亡时会喷射出新的原子和更复杂的分子，比如水分子。
4. 时至今日：宇宙的化学复杂度不断增长，而相关过程由恒星锻造出的新原子持续推进着。人体 DNA 中的有机分子甚至在若干星云中被发现了……
随后恒星死去，留下一片沐浴在其余晖中的尘埃云——待其中的分子重新聚集，会形成新的恒星和行星，循环往复……直至45亿年前地球的出现，而彼时距宇宙大爆炸已然过去了93亿年。
由于反应活性太高，氦合氢离子十分不稳定以致如今难觅踪迹，但它仍没完全消失。“这是一种奇特且不稳定的分子，只能在极端且非常特殊的条件下出现。”斯特凡诺·博维诺指出。但可以肯定的是，如果氦合氢离子仍藏身于宇宙的某处，那其中必少不了NGC 7027星云。
美国约翰斯·霍普金斯大学天体物理学家、天体化学家大卫·诺伊费尔德（David Neufeld）认为：“这种离子可能会在紧挨着白矮星的第一层氦包层和并入星云的第二层氢包层之间的交界面处大量形成。”白矮星的紫外辐射促进了氦的电离，形成由氦正离子（He+）构成的等离子体，随后与氢包层在某些地方混合。
He+极度渴求电子，夺取氢原子电子的同时也捎带了它的质子（氢原子由一个电子和一个质子构成），于是便形成了HeH+分子——这是自1970年代以来学界认同的理论模型，诺贝尔化学奖得主、德裔加拿大科学家格哈德·赫茨伯格（Gerhard Herzberg）还撰写过一篇相关论文。
格哈德·赫茨伯格
在1980年代初，加拿大赫茨伯格天体物理学研究所的一支团队认为氦合氢离子是能够被检测到的：当氦合氢离子被激发时，由于其量子性质，氦合氢离子会以两个精确的波长（3.51629微米和3.60776微米）发射光子，而这微弱的光学特征理论上能被红外望远镜捕捉到。“于是他们联系了我。”法国天体物理学家让-皮埃尔·迈亚尔（Jean-Pierre Maillard）回忆说。
CFT望远镜
1988年，迈亚尔使用CFT望远镜（加拿大-法国-夏威夷望远镜）以及他设计的高分辨率红外光谱仪开始了对星空的首次观测，这也是学术界首次对氦合氢离子的天文探测。
探测目标毫无疑问是NGC 7027星云，期望却落空了，他们当时并没有检测到那两条红外谱线，很难断定这是由于检测仪器的极限还是因为根本不存在氦合氢离子。之后又有两个团队在1990年末和2000年初凭借改进的红外传感器探测可能存在于NGC 7027星云的氦合氢离子，却始终一无所获。
验明正身
于是来到了2019年7月的这个“绝妙”之夜。与迈亚尔、威斯迈尔和古斯滕的初次尝试不同，大卫·诺伊费尔德和他的同事们如今能够凭借更详细的信息精确地描述星云的结构。
事实上，这个团队已经率先取得了巨大进展：2019年3月，他们发布了借助NASA安装在一架波音747上的2.5米口径天文望远镜，即“平流层红外线天文台”（SOFIA）进行的首次探测结果。
首个捷报便是氦合氢离子的另一条更为基础的红外谱线正好位于预期的149.137微米附近，而它只能在地球大气层的边界处观察到。“大气层吸收了这种辐射，因此我们无法在地面上观察到它。”拉尔夫·古斯滕解释说。
所以几乎可以肯定氦合氢离子就在NGC 7027星云，但仍有必要确认上述的3.51629微米和3.60776微米的这两条谱线，它们将无可辩驳地证实氦合氢离子的存在。“经过数十年毫无进展的探索，第一个积极的结果非常振奋人心。”诺伊费尔德回顾道。
在2019年7月的这一晚，距让-皮埃尔·迈亚尔三十多年前开启这项探索仅几百米处，整个检测过程终于完成：IRFT望远镜和iSHELL光谱仪的结合记录了这两条动人的红外谱线。
IRFT望远镜
“这是天文学上首个证明宇宙原始化学理论模型是正确的证据。”斯特凡诺·博维诺评价道。近年来，面对关于复杂有机分子的天文探测结果纷至沓来，天体化学家有些不知所措，而这个结果无疑将成为新的圭臬。“数百种化学物质在尘埃云中产生相互作用，引发成千上万种受辐射影响的化学反应，而我们仍然无法对这种复杂性进行建模。”博维诺坦言。
确认NGC 7027中氦合氢离子的存在夯实了宇宙化学领域的地基，为理论家提供了坚实的基础，也许还能带来更复杂、精准的相关模型。
此外，这个成果同样激励着那些在实验室里模拟宇宙极端条件以重现相应化学反应的天体化学研究人员。一支德国科研团队便重燃了对氦合氢离子的热情，在实验台上重现了它在宇宙初期的诞生。
随后他们通过探测宇宙微波背景辐射，证实了氦合氢离子确实是宇宙中的第一种分子。“这是我目前主导的工作进展之一，与CNES（法国国家空间研究中心）的一个空间望远镜项目有所联系。”让-皮埃尔·迈亚尔表示。尽管方才验明正身，对氦合氢离子的新探索已然开启！
撰文 Jean-Baptiste Veyrieras
编译 唐悦