宇宙中第一個分子被發現_風聞

原創：牧夫天文

翻譯：陳豔玲

校譯：華子乾 陸寅楓 田程偲 汪榮鑫

編排：胡暖暖

原文鏈接：

https://www.universetoday.com/142022/the-first-molecule-that-was-possible-in-the-universe-has-been-seen-in-space/

恆星、星系、行星和生命中存在着各種各樣的複雜分子才能實現，但是在人類和我們製造的所有複雜分子可能存在之前，必須有第一個原始分子開始一系列化學事件，產生我們今天看到的一切。

儘管理論上很久以前就已經證明分子存在，但缺乏對該分子的觀測證據對科學家來説是個問題。現在他們已經找到了這個分子，證明他們的理論是正確的！

在宇宙的早期，只有兩種或三種原子。大爆炸的核合成創造了氫，氦和微量的鋰。所有其他元素都是在恆星中製造的。恆星的主要成分是氫，但恆星不能由大爆炸中產生的簡單氫原子形成。它們來自所謂的分子氫，然而如果沒有所謂的“第一分子”——氫化氦，就不能形成分子氫。理論上説，大爆炸後大約10萬年就形成了氫化氦。

NGC7027中的氫化氦分子

Composition: NIESYTO design; Image NGC 7027: William B. Latter (SIRTF Science Center / Caltech) and NASA / ESA; Spectrum: Rolf Güsten / MPIfR (Nature, April 18, 2019)

若在大爆炸後大約10萬年拍攝一張宇宙的快照。會發現它非常炎熱，只有氫、氦和一點點鋰。在宇宙的原子種類可以多樣化之前，恆星必須形成。一旦宇宙開始冷卻，恆星形成的條件開始變得成熟。

但是其他事情也必須發生。宇宙的冷卻不足以形成恆星，必須創造分子氫。因為恆星主要由分子氫而不是大爆炸創造的簡單原子氫製成。（科學家們並不稱之為簡單的氫，他們稱之為氫原子。）

宇宙中的大多數氫是分子氫。但是，在今天的宇宙中，單個氫原子是罕見的，因為它是一個自由基，並且極易反應。分子氫是兩個氫原子鍵合在一起的分子，它由兩個質子和兩個電子組成，非常穩定。太空中有大量的分子氫雲，雲中會產生恆星。

看！它就是氫化氦，即所謂的第一分子。

圖片來源：By CCoil (talk) – Own work, CC BY-SA 3.0

早期宇宙中的問題在於，即使物質冷卻，分子氫也不能自行形成。根據理論，簡單的氫需要在形成之前需要與特定分子相互作用，這個特定分子就是氫化氦。這種相互作用是宇宙化學的第一步。

儘管理論表明氫化氦必須存在，而且它在1925年的實驗室中已經被創造出來了，但它卻從未在太空中看到過。它是一種非常挑剔的分子，因為它的一個組成原子是氦，一種惰性氣體。惰性氣體非常不願與其他原子發生反應，因此氫化氦很難產生。

但是現在我們找到了它

在4月17日發表在“自然”雜誌上的一篇論文中，研究人員概述了他們如何在行星狀星雲NGC 7027中標記到了氫化氦。他們使用美國宇航局的紅外天文學平流層天文台（Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy，SOFIA）來尋找它。SOFIA是一架經過改裝的波音747SP飛機，它在高海拔地區飛行以避免大氣干擾進行觀測。

自20世紀70年代以來，科學家們認為NGC 7027具有氫化氦存在的必要條件。自此科學家使用SOFIA和德國GREAT儀器（Terahertz Frequencies的德國接收器）探測NGC 7027，尋找氫化氦分子。

NGC 7027是一個年輕，密集的行星狀星雲。科學家在那裏發現了“第一分子”氫化氦。NGC 7027位於Cygnus星座，距離我們大約3000光年遠。

圖片來源：By William B. Latter (SIRTF Science Center/Caltech) and NASA

該論文的主要作者是德國波恩馬克斯普朗克射電天文學研究所的Rolf Guesten。Guesten説：“星際空間中缺乏氫化氦存在的證據是幾十年來天文學面臨的一大困境。”

NGC 7027中，老化的恆星為分子形成了提供了適宜的熱量和紫外線輻射。但是看到這個星雲內部還是非常困難的。

SOFIA是NASA與德國航空航天中心DLR的合作伙伴。在該圖像中，可以看到SOFIA上搭載的100英寸直徑的望遠鏡。

圖片來源：NASA

SOFIA有點像地面望遠鏡和太空望遠鏡之間的混合體。在13000多米的高空中，它既可以免受地球大部分的大氣干擾，就像太空望遠鏡一樣。但它更靈活，可以不時降落在地面，其儀器可以更改或改裝，就像地面望遠鏡一樣。

在這種情況下，德國GREAT儀器於2011年被整合到SOFIA中。並且它已被證明是這項研究的關鍵。

“我們能夠更換儀器並安裝最新技術，”SOFIA副項目科學家Naseem Rangwala説。“這種靈活性使我們能夠更新觀測設備，改進觀測效果，回答科學家們想要回答的最迫切的問題。”

2016年，科學家們開始使用SOFIA和GREAT來探測NGC 7027以尋找氫化氦。每個分子在其自身頻率上與光相互作用，並且GREAT被調諧到氦氫化物的頻率，類似於將無線電調諧到特定站。他們最終成功發現了氦化氫。

“在那裏，第一次在數據中看到氫化氦是非常令人興奮的，”Guesten説。“這為我們的長期探索劃上了快樂的句號，並消除了對我們對早期宇宙的化學理論推演的懷疑。”

『天文時刻』 牧夫出品

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一張新月狀的地球，1969年11月23日由阿波羅12號宇航員拍攝，當時他們正從月球返回地球。

Credit：Jason Major