Малекула гідрыду гелія, даўно вядомая ў лабараторыі, і, як доўга думалі, прысутнічае ў космасе пры патрэбных тэмпературных умовах і пры наяўнасці патрэбных элементаў, нарэшце была выяўлена: у планетарнай туманнасці NGC 7027. Яго няма, аднак быў знойдзены як рэліквія з ранняга Сусвету, дзе ён, верагодна, існаваў, але быў хутка знішчаны. (NASA / SOFIA / L. PROUDFIT / D.RUTTER)

Навукоўцы не знайшлі першай малекулы ва Сусвеце

З'явілася першая малекула, і мы яе знайшлі проста так. Але ёсць вялікая розніца.

Першая малекула Сусвету знойдзена нарэшце! Менавіта на гэтым тыдні былі абвешчаныя загалоўкі, калі Стратасферная абсерваторыя НАСА па інфрачырвонай астраноміі (SOFIA) назірала дагэтуль няўлоўнае рэчыва, якое называецца гідрыд гелія. Збольшага гэта абсалютна дакладна, бо гідрыд гелія сапраўды быў першай малекулай, якая ўтварылася ў самай, самай ранняй Сусвеце, і ўпершыню яе прысутнасць была выяўлена ў космасе, а не сінтэзавана ў лабараторыях тут, на Зямлі.

Але частка гэта няпраўда. Гідрыд гелія, які мы знайшлі, паходзіць не з тых часоў. На самай справе 100% гідрыду гелію, які ўваходзіў у першую малекулу, зробленую ў Сусвеце, была назаўсёды знішчана. Мы ніколі гэтага не бачылі і, хутчэй за ўсё, ніколі не будзем. Вось чаму.

Наколькі матэрыя (уверсе), выпраменьванне (у сярэдзіне) і касмалагічная канстанта (знізу) эвалюцыянуюць з часам у Сусвеце, якая пашыраецца. Па меры пашырэння Сусвету шчыльнасць рэчывы разбаўляецца, але выпраменьванне таксама становіцца больш халодным, паколькі даўжыні яго хваль расцягваюцца на больш доўгія, менш энергічныя стану. (Э. СІГЕЛ / У ГАЛАКСІІ)

Паспрабуйце ўявіць, калі можаце, Сусвет, як гэта было на значна больш ранніх этапах гарачага Вялікага Выбуху. Калі мы сёння глядзім на Сусвет, мы бачым, што яна поўная матэрыі, усё згушчана ў зорках, галактыках, кластарах і ўздоўж велізарнай касмічнай павуціны. Мы бачым доказы таго, што гэтая Сусвет пашыраецца, і далёкія галактыкі і кластары пашыраюцца адзін ад аднаго хуткімі тэмпамі, чым далей яны знаходзяцца. Акрамя таго, мы таксама бачым Сусвет, напоўнены ваннай з нізкаэнергетычным выпраменьваннем ва ўсе бакі.

Гэта азначае, што з цягам часу Сусвет атрымлівае:

  • большы,
  • больш мяккі,
  • грувасткі,
  • і халадней.

З чаго вынікае, зразумела, што калі паглядзець назад у часе, усё было наадварот.

Візуальная гісторыя пашырэння Сусвету ўключае ў сябе гарачы, шчыльны стан, які называецца Вялікі выбух, а таксама рост і фарміраванне структуры ў далейшым. Поўны набор дадзеных, у тым ліку назіранне за светлавымі элементамі і касмічным фонам мікрахвалёўкі, пакідае толькі Вялікі выбух як дакладнае тлумачэнне ўсім, што мы бачым. Па меры таго, як Сусвет пашыраецца, яна таксама астывае, што дазваляе ўтвараць іёны, нейтральныя атамы, і ў канчатковым выніку малекулы, газавыя аблокі, зоркі і, нарэшце, галактыкі. (NASA / CXC / M. WEISS)

Мы бачым наш Сусвет такім, які ёсць сёння, праз 13,8 мільярда гадоў пасля Вялікага выбуху. Калі мы выглядаем усё далей і далей, мы бачым Сусвет такім, якім ён быў, калі быў маладзейшы; мы ў асноўным азіраемся назад у часе. Самыя раннія галактыкі былі меншымі, больш блакітнымі і мелі менш цяжкіх элементаў, чым у нас, бо толькі пры нарастанні многіх пакаленняў зорак, якія жывуць і паміраюць, мы прыбываем у галактыкі, як наш сучасны Млечны Шлях.

На самай справе мы можам вярнуцца да яшчэ больш ранніх часоў: да таго, як мы ўтварылі нейкія зоркі ці галактыкі. У першыя некалькі дзясяткаў мільёнаў гадоў пасля Вялікага выбуху гравітацыя яшчэ не мела дастаткова часу, каб сцягнуць першыя нейтральныя атамы ў груды, гэта значыць, мы яшчэ не распалілі ў іх ядзерны зліццё. Адзінае зліццё адбылося падчас самай ранняй, гарачай, шчыльнай стадыі Вялікага выбуху, і дало нам вадарод, гелій і не шмат чаго.

Прагназаванае багацце гелія-4, дэйтэрыя, гелія-3 і літыя-7, як і прадказвала нуклеасінтэз Вялікага выбуху, з назіраннямі, паказанымі на чырвоных колах. Сусвет складаецца з 75–76% вадароду, 24–25% гелія, крыху дэйтэрыя і гелія-3, а таксама літый у масе. Кожны з гэтых відаў пачынае цалкам іянізаваць, але атамныя ядра з большай колькасцю зарада могуць атрымаць электроны лягчэй, чым просты вадарод. (НАСА / НАЗА НАВУКОВАЯ КОМАНДА)

На самай справе, пасля таго, як ядзерны зліццё адбылося на працягу першых хвілін нашай касмічнай гісторыі, Сусвету спатрэбіліся сотні тысяч гадоў, каб астыць дастатковай колькасцю, каб мы маглі стабільна ўтвараць нейтральныя атамы. Да гэтага фатоны ўнутры былі дастаткова энергічнымі, што яны пастаянна збівалі кожны электрон з таго атамнага ядра, з якім ён сутыкнуўся і звязваўся.

Калі Сусвету было ўсяго некалькі хвілін, элементы ўнутры яе складалі (па вазе) каля 75% вадароду, 25% гелія і малюсенькая доля дэйтэрыя, гелія-3 і літыя. На працягу наступных тысячагоддзяў паступова астывалі, усе фатоны - у тым ліку і самыя энергетычныя, якія былі ў асноўным адказныя за іянізацыю - страцілі энергію. У выніку гэтыя атамныя ядра з рознымі масамі і рознымі зарадамі пачынаюць набіраць электроны ў розны час.

Хоць атамныя ядры ўтварыліся толькі праз некалькі хвілін у Сусвеце, тады ўсё было вельмі горача. Калі Сусвет не пашырылася і не астыла на працягу тысячагоддзяў, электроны могуць пачаць звязвацца з гэтымі ядрамі, не адразу ж іянізуючыся, пры гэтым розныя элементы набіраюць электроны з рознай хуткасцю ў залежнасці ад іх электрычнага зарада і налады атамных арбіталей. (ГІДРАГЕНСКАЯ ЭПОХА РЭЙІАНІЗАЦЫЙНАЙ ЛІСТА (ГЕРА))

У самыя раннія часы ўсё цалкам іянізавана, а ядра гелія і вадароду наогул не маюць электронаў.

Прыблізна праз 32 000 гадоў Сусвет досыць астывае, каб адзін электрон мог пачаць звязвацца з ядром гелія. Памятайце, што для фарміравання нейтральнага атама гелію спатрэбіцца два электроны, таму ў гэты момант гелій знаходзіцца толькі на паўдарогі.

Яшчэ праз 100 000 гадоў, калі Сусвет дасягнула ўзросту 132 000 гадоў, гэты другі электрон можа, нарэшце, звярнуцца да гелія, не пачынаючы з яго. У нас ёсць першы стабільны нейтральны атам: гелій. Але гелій не ўтварае сувязі з іншымі атамамі вельмі лёгка: гэта інертны, высакародны газ.

Элементы першай групы перыядычнай табліцы, у прыватнасці літый, натрый, калій, рубідый і гэтак далей, губляюць свой першы электрон значна лягчэй, чым любыя іншыя элементы. Энергетычна значна лягчэй іянізаваць вадарод, чым іянізаваць гелій нават адзін раз, і поўнасцю іянізаваць гелій патрабуецца чатыры разы энергіі, як гэта цалкам іёнізуе вадарод. (WIKIMEDIA COMMONS USER SPONK)

І толькі калі Сусвет набліжаецца да 380 000 гадоў, асобныя пратоны і электроны звязваюцца разам, і ўтвараюць атамы вадароду. Атамы вадароду могуць лёгка злучацца з іншымі атамамі вадароду, ствараючы малекулярны вадарод (Н2), з якім мы добра знаёмыя.

Але быў час паміж імі - пасля таго, як утвараюцца атамы гелія, але ў той час як вадарод усё яшчэ іянізуецца - там утвараюцца першыя сапраўдныя малекулы. Малекула, памятайце, проста вызначаецца там, дзе ў вас малекулярная сувязь паміж адным атамам (або іёнам) і іншым. Вы можаце выкарыстоўваць малекулы, якія ўтвараюцца выключна з нейтральных атамаў (напрыклад, O2, кісларод), але пары іёнаў атома таксама ўтвараюць малекулярныя сувязі, такія як іянізаваны вугаль (C +) з нейтральнымі атамамі фтору (F), якія звязваюцца паміж сабой (утвараючы CF +) і выпраменьваюць фатон праз працэс, вядомы як выпраменьвальная асацыяцыя.

Калі два атама, іён і атам, добра падзелены, яны не звязаны. Часта для іх энергетычна выгадна ўтвараць малекулярную сувязь, аднак, калі яны гэта робяць, звязанае стан, маючы меншую энергію, павінна выпраменьваць фатон, каб увайсці ў гэты малекулярны стан. Гідрыд гелія, сувязь паміж нейтральным геліем і іянізаваным вадародам, лічыцца першай малекулай, якая ўтвараецца ў Сусвеце. (Сейлорская акадэмія / CC-BY-3.0)

Ну, калі Сусвет знаходзіцца ў той перыяд часу, дзе існуе нейтральны гелій (Ён), але ўвесь вадарод іянізуецца (Н +), гэтыя два віды могуць таксама звязвацца разам праз выпраменьванне. Калі атам гелія і іён вадароду сутыкаюцца, яны ўтвараюць малекулу, вядомую як гідрыд гелія (HeH +), і вылучаецца характэрны фатон, які азначае трываласць малекулярнай сувязі.

Хоць гэта не так шмат у навінах, як фізіка ці астраномія, хімія такіх злучэнняў, як гідрыд гелія, мае доўгую і багатую гісторыю. Сам гідрыд гелія быў адкрыты ў выніку яго стварэння ў лабараторыі амаль стагоддзе таму: яшчэ ў 1925 г. Тэарэтычна ён павінен існаваць і ў асяроддзі міжзоркавага космасу: як у раннім Сусвеце, калі ён стаў першай малекулай, так і пазней , калі астрафізічныя працэсы ствараюць іянізаваную вадародную плазму ў прысутнасці нейтральнага гелія.

Бліжэй да канца жыцця зоркі, падобнай на Сонца, яна пачынае здзімаць яе знешнія пласты ў глыбіні космасу, утвараючы прапланетарную туманнасць, падобную на туманнасць яек. Там, дзе ёсць іянізаваны вадарод (H +) і нейтральны гелій (He), неабходна стварыць іён гідрыду гелія (HeH +), які мае малекулярную сувязь. (НАСА І HABBLE НАСЛІДНАЯ КОМАНДА (STSCI / AURA), HUBBLE SPACE TELESCOPE / ACS)

Увесь ранні гелід Сусветнай геліду павінен быў быць знішчаны, калі вадарод стаў нейтральным, бо гідрыд гелія значна менш энергетычны, чым утварэнне нейтральнага вадароду. Пасля астывання ніжэй пэўнага крытычнага парога ваш гідрыд гелія будзе ўзаемадзейнічаць з нейтральным вадародам, пераважна ўтвараючы малекулы вадароду (H2) і ізаляваныя атамы гелія (He). Першая малекула Сусвету праіснавала нядоўга; да таго часу, як можа прайсці 500 000 гадоў, усё знік.

Але ў далейшым, нават у сучасным Сусвеце, ёсць ідэальнае месца, дзе сёння ў нашай Сусвеце павінен існаваць гідрыд гелія: у іянізаванай плазме паміраючых сонечных зорак. З досыць высокімі тэмпературамі для іёнізацыі вадароду, але з вялікай колькасцю нейтральнага гелія, выгнанага з знешніх слаёў паміраючых зорак, гэтыя планетарныя туманнасці павінны быць ідэальным домам для гідрыду гелія.

Планетарная туманнасць NGC 7027 доўгі час лічылася, што мае належныя ўмовы для стварэння гідрыду гелія, але шмат гадоў таму сцвярджалася, што выяўленне было супярэчлівым, бо ён не вытрымаў кантролю ў папярэдніх даследаваннях. (HUBBLE, NASA, ESA; СПРАФА: СУДА ШМІДТ)

Хоць прайшло ўжо больш за 40 гадоў з таго часу, як планетарныя туманнасці былі прапанаваны гідрыдам гелію, назіранні ніколі не дасягалі гэтага. Часткова прычынай з'яўляецца тое, што выкіды гідрыду гелію прыводзяцца ў выніку вярчальнага пераходу, які выпраменьвае пры вельмі нізкіх энергіях: вырабляючы фаты на 149,1 мікрон, размяшчаючы яго ў далёкай інфрачырвонай частцы спектра.

Вы не бачыце гэтага з зямлі, бо атмасфера засланяе яго. Можна паспрабаваць убачыць яго з космасу, але прыборы, запушчаныя на борце абсерваторый, як Гершэль і Шпіцер, былі недастатковымі, каб выявіць яго. Але вось у якую ўваходзіць SOFIA НАСА. Ён пралятае да 45 000 футаў над туманнай атмасферай. Але, паколькі ён вяртаецца на Зямлю, яго інструменты можна лёгка мадэрнізаваць. А мадэрнізацыя нямецкага прыёмніка на прыборах Terahertz Frequency (GREAT) была менавіта тым, што трэба было астраномам.

Тэлескоп SOFIA НАСА, які ляціць на борт мадыфікаванага Boeing 747, унікальна падыходзіць для правядзення якасных, вышынных далёка-інфрачырвоных назіранняў, у той час як на борце па-ранейшаму маецца спраўны, мадэрнізаваны прыбор. (ECHO ROMEO / ЦЕНТРАЛЬНАЯ ФІЗЫКА / АМЕРЫЧНАЯ ФІЗЫЧНАЯ ГРАМАДЗЕЯ)

Гэта новае даследаванне ўпершыню вызначыла, што ў космасе сапраўды існуюць іёны гідрыду гелію. Назіраючы планетарную туманнасць NGC 7027 з гэтым новым мадэрнізаваным прыборам, навукоўцы змаглі ўбачыць гэты характэрны пераход - гэта беспамылковая подпіс гідрыду гелія. Па словах Рольфа Гюстэна, вядучага аўтара новага даследавання, апублікаванага ў Nature,

"Быць там так цікава", упершыню ў дадзеных убачыўшы гелід геліду. Гэта прыводзіць да доўгага пошуку да канца і ліквідуе сумневы ў нашым разуменні асноўнай хіміі ранняга Сусвету ".

Гэта першае сведчанне таго, што гідрыд гелію можа і існуе ў натуральным космасе.

Стратасферная абсерваторыя НАСА па інфрачырвонай астраноміі (SOFIA) з адкрытымі дзвярыма тэлескопа. Гэта сумеснае партнёрства паміж НАСА і нямецкай арганізацыяй DLR дазваляе нам даставіць сучасны інфрачырвоны тэлескоп у любое месца на паверхні Зямлі, што дазваляе нам назіраць за падзеямі, дзе б яны ні адбываліся. (НАСА / КАРЛА ТОМАС)

Самы вялікі ўрок, які можна атрымаць з усяго гэтага, - гэта неверагоднае значэнне для пераадолення мяжы паміж наземнай і касмічнай астраноміяй. Адпраўляцца ў космас выдатна, бо вам больш не трэба змагацца з перашкодамі, якія ўплываюць на зямную атмасферу. Знаходжанне на зямлі выдатна, бо вам не прыйдзецца плаціць за пускавыя выдаткі, памер тэлескопа не абмяжоўваецца памерам ракеты-носьбіта, а вашы інструменты - мадэрнізаванымі.

Але такі унікальны інструмент, як SOFIA, дае нам лепшае з абодвух светаў. Як сказаў Хал Ёрк, дырэктар навуковага цэнтра SOFIA,

"Малекула там хавалася, але нам патрэбны былі правільныя інструменты, якія праводзілі назіранні ў правільным становішчы - і SOFIA змагла зрабіць гэта выдатна".

Гідрыд гелія лічыўся першай малекулай ва Сусвеце, але раней мы не змаглі выявіць яго прыродную прысутнасць у космасе. Нарэшце, мы маем доказы свайго існавання, а разам з гэтым і далейшае пацверджанне нашай карціны таго, як Сусвет стаў такім, якім ён ёсць сёння.

Цяпер пачынаецца з выбуху на Forbes, і апублікаваны на Medium дзякуючы нашым прыхільнікам Patreon. Этан напісаў дзве кнігі: Beyond The Galaxy, іTreknology: The Science of Star Trek from Tricorders to Warp Drive.