Уперше в історії фізикам вдалося відтворити перші хімічні реакції, які відбувалися невдовзі після Великого вибуху — у схожих до тодішніх умовах молодого Всесвіту. Команда науковців під керівництвом Флоріана Груссі з Інституту ядерної фізики імені Макса Планка в Німеччині змоделювала взаємодію гелійгідридного йона (HeH⁺), першої молекули у Всесвіті, яка утворилася внаслідок злиття нейтрального атома гелію з іонізованим атомом водню.
Саме ця молекула вважається важливим етапом у ланцюгу реакцій, що згодом привели до утворення молекулярного водню (H₂) — найбільш розповсюдженої молекули у Всесвіті, з якої формуються зірки. Результати дослідження проливають світло на одні з найдавніших процесів, що заклали основу для появи структури космосу, яку ми бачимо сьогодні.
Близько 13,8 мільярда років тому, одразу після Великого вибуху, Всесвіт являв собою розпечену та надщільну плазму, у якій ще не могли утворитися навіть найпростіші атоми. Лише через приблизно 380 тисяч років температура впала настільки, що протони та електрони почали об’єднуватися, формуючи перші елементи — переважно водень, гелій і незначні кількості літію.
Однак для того, щоб ця первісна матерія перетворилася на зорі та галактики, Всесвіту необхідно було охолонути. Тут і вступає в гру HeH⁺ — молекула з вираженим розподілом електричного заряду, що дозволяє їй ефективно розсіювати тепло в присутності електричних полів. Саме ця властивість, за припущеннями вчених, сприяла охолодженню газових хмар у ранньому космосі та подальшому утворенню зірок.
Щоб відтворити ці умови, команда дослідників скористалась кріогенним накопичувальним кільцем Інституту Макса Планка. Там, за температур близько -267°C, вони вивчали взаємодію HeH⁺ із дейтерієм — різновидом водню, що містить додатковий нейтрон. Результатом зіткнення цих частинок стало утворення нейтрального атома гелію та молекули HD⁺, з нижчим енергетичним рівнем.
Ці реакції моделювалися за допомогою двох пучків частинок, швидкість яких змінювали, щоб симулювати вплив температури на перебіг реакцій. Виявилося, що зміни енергії зіткнень не впливають на ймовірність реакції, тобто HeH⁺ був активним хімічним агентом незалежно від того, наскільки Всесвіт охолоджувався.
Як зазначив фізик Гольґер Крекель, попередні теорії передбачали зниження ймовірності таких реакцій при низьких температурах. Проте нові експерименти та обчислення це не підтвердили. Навпаки, реакції HeH⁺ з воднем і дейтерієм, імовірно, були набагато важливішими в хімії раннього Всесвіту, ніж вважалося раніше.
Це дослідження, опубліковане в журналі Astronomy & Astrophysics., відкриває нові горизонти для розуміння етапів формування перших молекул і зірок, а також механізмів, що керували еволюцією космосу на самому початку його існування.