先別激動！宇宙中形成的第一個分子，真的被找到了嗎？

2023-03-31 23:45:01

，放輕鬆！宇宙中形成的第一個分子真的被發現了嗎？

天文學在線

宇宙中第一個分子最初形成時就存在了。我們以為我們找到了一個完全一樣的，但兩者完全不同。

宇宙中的第一個分子終於被觀測到了！在美國國家航空航天局的平流層紅外觀測臺(索非亞)觀測到氫化氦後，新聞標題一個接一個地報導了氫化氦，這是迄今為止最難捕捉的物質。這份報告的一部分完全正確。氫化氦是古代宇宙中形成的第一個分子，這是首次在太空中觀察到氫化氦，而不是在地面實驗室中合成。

但本報告的其他部分不正確。我們這次觀察到的氫化氦不是在早期宇宙中形成的。事實上，早期宇宙中形成的氫化氦分子早就被摧毀了。我們從未觀察到它們，也許永遠也不會

說明了物質(上部)、輻射(中部)和宇宙常數(下部)如何在膨脹的宇宙中隨時間演變。隨著宇宙的膨脹，物質的密度降低，由于波長的延長，輻射也會降低到較低的能量水平。(西格爾/超越銀河系)

試著想像宇宙是在大爆炸之後形成的當我們觀察今天的宇宙時，我們會看到一個巨大的物質網絡以各種形式聚集在一起，比如恆星、星系和星雲。通過觀察向後移動且速度更快的遙遠星系和星雲，我們可以證明宇宙正在膨脹。此外，我們還觀察到宇宙充滿了指向各個方向的低能輻射。

這意味著隨著時間的推移，宇宙將變得:

當然，如果隨著時間的推移，上述過程將被逆轉說明

:對宇宙形成的描述可分為高密度和高溫狀態，稱為「大爆炸」，以及其後物質和宇宙結構的形成和增長。我們所有的觀測數據，包括可見光成分和宇宙背景微波輻射，使得大爆炸成為我們觀測結果的唯一解釋。隨著宇宙的膨脹，溫度降低，離子和中性原子形成。然後形成分子、氣團和恆星，最終形成星系。我們今天看到的是大爆炸後138億年的宇宙。但是當我們觀察深空時，我們看到的是一個更早的宇宙。換句話說，我們看到了過去最早的星系比我們現在的星系更小、更藍，並且包含更少的重元素。經過幾代恆星的形成和衰變，這些早期星系變成了我們今天看到的樣子。

事實上，我們仍然可以回到更早的時間:那時沒有行星或星系被創造出來。在大爆炸後的數千萬年裡，重力沒有足夠的時間將新產生的中性原子聚集在一起形成氣團，也就是說，它沒有時間形成核聚變。這一時期唯一的核聚變發生在大爆炸的最開始，溫度和密度都非常高，形成氫、氦和其他微量元素。圖

:根據大爆炸核合成理論，宇宙中會形成大量的氦-4、氘和鋰-7。我們確實在紅色圓圈中觀察到了這些元素。整個宇宙中75-76%的元素是氫，24-25%是氦，一小部分是氘和氦-3，還有少量的固態鋰元素。每種元素都是在完全電離的狀態下形成的，但是電荷更多的原子核比最小的氫原子核更容易捕獲電子。事實上，在我們宇宙形成的最初幾分鐘發生核聚變後，需要數千萬年才能冷卻到中性原子能夠穩定形成的溫度。在此之前，宇宙中的光子包含了足夠的能量來將所有的電子從原子核中擊出。

包含75%的氫、25%的氦和微量的氘、氦-3和鋰。隨著宇宙冷卻下來，我們迎來了創造的時刻，所有光子的能量——包括那些電離宇宙中原子的光子——都會減少。結果，處於不同重量和電荷的電離態的原子核開始捕獲電子圖

:雖然原子核是在宇宙誕生的最初幾分鐘形成的，但當時宇宙的溫度非常高。直到冷卻了數千萬年後，電子才能夠穩定地與原子核結合，而不是立即被電離。各種元素的原子核捕獲電子的速度由它們的電荷量和電子軌道決定。

開始時，所有物質都處於電離狀態，所有氦和氫原子核都沒有電子。

大約32000年後，宇宙冷卻到第一個氦核捕獲電子的溫度。但是請記住，氦原子對外界來說是中性的，它有兩個電子，所以氦原子此時只形成了一半。

又花了10萬年。當宇宙大約有132，000歲的時候，氦核能夠穩定地捕獲第二個電子，我們的第一個穩定的中性原子氦原子就形成了。然而，氦原子很難與其他原子結合:氦是一種簡單的物質，惰性氣體圖

顯示元素周期表中第1族元素，特別是鋰、鈉、鉀、銣等。，很容易失去它們的第一個電子。氫比氦更容易電離。氦的完全電離需要4倍於氫的完全電離的能量。直到宇宙達到380，000歲，單個質子和原子才能夠相互結合形成氫原子氫原子也可以很容易地相互結合形成分子氫(H2)，這是我們大家都熟悉的。

，但在此之前，當第一個原子形成時，有一個中間狀態——在穩定的氦原子形成之後，但氫核仍被電離記住，原子被定義為在兩個原子或離子之間包含穩定的分子鍵你可能更熟悉對外界呈中性的穩定分子(如氧O2)，但原子-離子對也包含分子鍵，如離子態的碳(C+)和原子態的氟(F)，它們可以結合形成CF+並在放射性結合時釋放光子。

說明當兩個原子或分子之間的距離很大時，它們之間不會形成分子鍵。然而，從能量的角度來看，由於分子態的能量較低，物質往往處於較低的能量狀態，它們更有可能以分子鍵的形式結合，並在形成分子鍵的過程中釋放出光子。因此，氫化氦，即氦原子和氫離子之間形成的分子鍵，被認為是宇宙中形成的第一個分子鍵

當宇宙處於中間狀態時，也就是說，已經形成了對外界是中性的氦原子，但是所有的氫仍然處於電離狀態(H+)，這兩個粒子可以以放射性方式結合併釋放出光子。當氦原子與氫離子碰撞時，它們會形成氫化氦(HeH+)，釋放出代表其分子鍵能量的光子。

雖然化學方面的新聞不如物理和天文學方面的新聞那麼受歡迎，但是像氫化氦這樣的化合物已經被研究了相當長的時間。早在1925年，一個化學實驗室就合成並發現了氫化氦。理論上，它也存在於星際空間:在早期，它的形成代表了宇宙中的第一個分子；後來，它在一個天體物理過程中形成，在氦原子存在的區域形成氫等離子體。說明

:當像太陽這樣的恆星進入生命的最後時刻，它會把它的外層物質拋向太空，形成像雞蛋星雲那樣的原行星星雲。在這個空間裡，氦原子(he)和電離氫離子(H+)同時存在，所以在這個空間裡可能會形成含有一個分子鍵的氦氫離子(HeH+)在

早期宇宙中形成的氫化氦在氫原子形成時已經被摧毀。就能量而言，氫元素比氦離子更傾向於形成中性氫分子一旦溫度下降到一定值，氦氫離子將與氫原子反應，形成氫分子和單個氦原子(氦)因此，宇宙中的第一類分子並不存在很長時間。當宇宙在5萬年前形成時，它們都被毀滅了。

但是後來，在現在的宇宙中，氫化氦仍然存在:在太陽恆星死亡時形成的電離等離子體中。有足夠的溫度使氫原子和從恆星表面噴射出的大量氦原子電離。這個原行星星雲是形成氫化氦的理想場所。圖

:原始行星星雲NGC7027長期以來被認為是氦氫離子(HeH+)形成的理想場所，但長期觀測結果與之相反。儘管原行星星雲作為形成氦氫離子(HeH+)空間的理論已經提出了很長時間，但觀測結果從未得到證實。這部分是由於其分子鍵旋轉合成中釋放的低能量:光子能量為149.1微米，使其位於光譜的遠紅外波段

在地面上，無法觀察到大氣造成的衰減我們發射的太空望遠鏡，如赫歇爾和斯皮策望遠鏡，不具備相應的觀測能力。此時，美國宇航局的索非亞剛剛開始運行，在離地面45，000英尺(13，716米)的高空運行。由於它將在運行後返回地面，上述設備可以很容易地升級。這一次，天文學家需要升級德國製造的太赫茲頻率接收器插圖

:美國航天局的索非亞望遠鏡安裝在一架改裝的波音747SP寬體客機上，是專為超高和高質量的遠紅外觀測而設計的。同時，其設備易於維護和升級。這項研究首次發現氦氫離子(HeH+)確實存在於宇宙中。根據發表在《自然》雜誌上的最新研究，當用最新的設備觀察NGC7027時，科學家們只看到氦氫離子(HeH+)產生時釋放的能量信息。

"當在儀器上首次觀察到氦氫離子(HeH+)時，真是令人興奮。它給了我們長期研究的好結果，並解決了早期宇宙中的一些化學問題。「這是我們第一次獲得氫化氦可以在宇宙中形成和存在的第一手證據。說明

:美國航天局的平流層紅外觀測臺配備了一個可移動的望遠鏡罩。美國航天局和德國航天中心的這個聯合項目使我們能夠把這個先進的紅外天文臺帶到世界的任何角落，從而使我們能夠在任何地方觀察天文事件。

在本研究中得出的結論使我們認識到地面天文臺和空間望遠鏡之間的巨大潛力。太空望遠鏡不會受到地球大氣層的幹擾，地面觀測站也不會受到發射規模和成本的限制，同時設備也可以維護和升級。

正如索非亞科學中心經理哈爾·約克所說，像索非亞這樣的設備利用了上述兩種天文臺。「這種分子已經隱藏在我們周圍很長時間了。我們只需要在合適的位置用合適的儀器來觀察它——SOFIA是最合適的儀器。」氫化氦

被認為是宇宙中第一個形成的分子，但在此之前我們還沒有見過它的自然存在。但最終，我們得到了它存在的證據，並進一步證明了宇宙進化成今天這個樣子的過程。

參考

1。維基百科全書

2。天文術語

翻譯:冉

作者:伊森·西格爾

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