新测量结果表明，宇宙大爆炸3分钟后，氦氢化物离子丰度高得多

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物理学家在海德堡马克斯普朗克核物理研究所首次报告了在低温储存环CSR中，电子与氦氢化物离子反应的实验室测量结果。在低于6k的温度下，破坏分子的反应速率比之前在室温下的测量值要低得多。这就转化为这种原始分子在早期宇宙中作为第一颗恒星和星系形成的冷却剂，同时也有很高的丰富性。宇宙大爆炸后仅仅三分钟，宇宙的化学成分就确定下来了：75%的氢，25%的氦，以及微量的锂，这些都是由原始核合成产生的。

然而，在这个宇宙早期状态，所有物质都被完全电离了，包括自由的裸核和热电子气体，宇宙背景辐射“雾蒙蒙的”等离子体。大约40万年后，膨胀的宇宙冷却到电子和原子核开始结合成中性原子的水平。宇宙开始变得透明，但还没有恒星诞生；因此这个时代被称为“黑暗时代”。随着温度进一步下降，中性氦与仍然丰富的自由质子的碰撞形成了第一个分子 - 氢化氦离子（HeH?），这标志着化学的曙光。

氢离子和其他早期分子在通过红外辐射冷却原始气体云方面发挥了重要作用，这是恒星形成的必要步骤。对后者过程的理解和建模需要对相关分子丰度和反应速率有详细的了解。然而，迄今为止的信息相当有限，特别是在黑暗时代晚期的低温状态(< 100k)中



大约在大爆炸后3亿年，也就是第一颗恒星形成的时候。HeH?目前已通过检测其远红外发射在银河系中被发现。HeH?的丰富性是由破坏性反应决定，在低温下，这主要是所谓的游离重组(DR)与自由电子：一旦被电子捕获中和，氢化氦分解成氦和氢原子。

以往反应速率数据表中的结果是：基于室温下的实验室实验得出。在这些条件下，分子处于高度兴奋的旋转状态，这被怀疑影响了电子捕获过程。为了深入了解低温行为，海德堡马克斯普朗克核物理研究所（MPIK）的物理学家研究了HeH?与研究所低温储存环CSR中的电子碰撞。这个独特设备是为实验室天体物理学设计而建造的，在类似空间的条件下，考虑到温度和密度。CSR提供了一个环境温度低于10 K和极好的真空(观察到< 10???mbar)。

研究人员使用一个电子靶来研究这种重组，其中存储的离子束浸入一个共传播的电子束中，距离约为一米。相对速度可以调到零，从而获得非常低的碰撞能量。电子-离子相互作用区的反应产物在下游被检测到，从而提供了绝对的反应速率。在CSR内部温度为6 K时，科学家们观察到存储的HeH +离子在几十秒内冷却到旋转基态。在这个辐射冷却过程中，研究人员跟踪了单个旋转态的总体，并提取了状态选择DR概率。

该实验的首席研究员Old?ichNovotn?说：我们发现HeH?最低旋转水平的电子重组率，比目前数据表中给出的值低80倍。这一显著下降主要是由于实验室测量的温度较低。在第一颗恒星和星系形成时期，这种原始分子的丰度大大增加。这个新结果，现在提供了前所未有的细节，对理解反应本身以及对早期宇宙的建模都有很大意义。对于碰撞理论，HeH?仍然是一个具有挑战性的系统。

在这里，度量有助于对理论代码进行基准测试。实验的DR反应速率，现在可以用于各种电子能量和旋转状态，可以转化为原始气体化学模型计算中使用的环境特性。这项研究和未来使用CSR的前瞻性研究提供了广泛适用数据。考虑到詹姆斯·韦伯太空望远镜即将发射，实验室天体物理学的新功能尤其及时，因为韦伯太空望远镜对大爆炸后第一批发光物体和星系的研究，将从对早期宇宙化学的可靠预测中受益匪浅。


本文选自：今日头条