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发表于 2019-4-25 21:34:28
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像我们这样的恒星、星系、行星和生命体,需要一系列丰富多样的复杂分子才能存在。但是,在人类和我们组成的所有复杂分子存在之前,必须有第一个原始分子,它引发了一系列的化学事件,导致了你今天所看到的每一样东西。
尽管长期以来人们一直认为它是存在的,但对科学家来说,缺乏观测证据证明该分子的存在是有问题的。现在他们已经找到了,那些科学家可以放心了。他们的预测理论赢了!
在宇宙的早期,只有两三种原子。氢、氦和微量锂是由大爆炸核合成产生的。所有其他元素都是后来在恒星中锻造出来的。恒星大部分是氢,但恒星不能从大爆炸中产生的简单氢原子中形成。它们是由所谓的分子氢形成的。而分子氢的形成离不开所谓的“第一分子”,即氦和氢的混合物氦氢化物。理论上说氦氢化物是在大爆炸后100000年左右产生的。
马克斯普朗克射电天文学研究所的主要作者罗尔夫·格斯滕(Rolf Guesten)说:“第一次在数据中看到氦氢化物是非常令人兴奋的。”
你可以想象一张早期宇宙的快照,大约在大爆炸后10万年左右的某个地方。它非常热,里面只有氢、氦和极少量的锂。在宇宙的原子种群能够多样化之前,恒星必须形成。一旦它开始冷却,恒星形成的条件就开始成熟。
但也有其他的事情要发生。宇宙的冷却不足以使恒星形成。必须创造分子氢,因为恒星主要是由分子氢而不是由大爆炸产生的简单的原子氢组成的。
宇宙中大部分的氢都是分子氢。
但是在今天的宇宙中,一个氢原子是罕见的,因为它是自由基,而且是真正的活性原子。分子氢是两个氢原子结合在一起的分子。它由两个质子和两个电子组成,非常稳定。太空中有大量的分子氢云,以及那些云中的恒星。
这是氦氢化物,所谓的第一分子
在早期宇宙的问题是,即使物质正在冷却,分子氢也不能自己形成。根据理论,在一个特定的分子形成之前,简单的氢需要与它相互作用,这个分子就是氦氢化物。这种相互作用是宇宙化学的第一步。
尽管理论上说氦氢化物必须存在,即使它是1925年在实验室中创造出来的,但它从未在太空中被发现过。这是一个很麻烦的分子,因为它的一个组成原子是氦,一种惰性气体。惰性气体很不愿意与其他原子发生反应。
但现在他们找到了。
在4月17日发表在“自然”杂志上的一篇论文中,研究人员概述了他们如何在行星状星云NGC7027中发现难以捉摸的氦氢化物的。他们利用NASA红外天文平流层观测站(SOFIA)来寻找它。红外天文平流层观测站是一架改装的波音747SP飞机,它在高于大气干扰的高空飞行,以进行观测。
自从20世纪70年代以来,科学家们就认为NGC7027具备氦氢化物存在的必要条件。他们使用红外天文平流层观测站和德国太赫兹频率接收器(GREAT)探测NGC7027,寻找难以捉摸的分子。
NGC7027是一个年轻而致密的行星状星云,科学家们在那里发现了难以捉摸的“第一分子”氦氢化物。NGC7027距离天鹅座约3000光年。
这篇论文的主要作者是德国波恩马克斯·普朗克射电天文学研究所的罗尔夫·格斯滕(Rolf Guesten)说:“缺乏证据证明氦氢化物存在于星际空间,这是天文学几十年来的一个难题。”
研究人员在行星星云中发现了氦氢化物的形成条件。这颗老化的恒星发出了合适的热量和紫外线辐射,使分子得以形成。但是观察星云内部是非常困难的。
红外天文平流层观测站(SOFIA)是NASA和德国航空航天中心(DLR)的合作伙伴。在该图像中,可以看到2.5米直径的望远镜。
红外天文平流层观测站就像是地面望远镜和太空望远镜的混合体。从14000米的高度来看,它不受大多数地球大气的干扰,就像太空望远镜一样。但它更有弹性。它在任务之间着陆,它的仪器可以改变或调整,更像一个地面望远镜。
在这种情况下,德国太赫兹频率接收器于2011年被纳入红外天文平流层观测站。事实证明,它在这项研究中起着举足轻重的作用。
红外天文平流层观测站项目副科学家纳塞姆·兰格瓦拉(Naseem Rangwala)说:“我们能够更换仪器并安装最新的技术。这种灵活性使我们能够改进观察,并对科学家想要回答的最紧迫的问题作出反应。”
2016年,科学家开始使用红外天文平流层观测站和德国太赫兹频率接收器探测NGC7027中的难以捉摸的氦氢化物。每个分子以自己的频率与光相互作用,太赫兹频率接收器被调谐到氦氢化物的频率,类似于将收音机调谐到特定的电台。
罗尔夫·格斯滕(Rolf Guesten)说:“能在那里看到氦氢化物是如此令人兴奋,这是第一次在数据中看到氦氢化物。这给我们带来了一个快乐的结局,也消除了我们对早期宇宙潜在化学成分的理解的疑虑。”
这就是天文学中一个古老问题的圆满结局。氦氢化物研究的成功结束,对于我们详细描述宇宙演化的理论来说是一个很好的胜利。
本文选自:今日头条 |
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