宇宙中的第一次化學反應：化學是這樣誕生的

繪圖：Alison Mackey and William Zubak

　　來源：環球科學ScientificAmerican

　　下面這個問題或許能難倒你朋友圈中最懂科學的朋友：宇宙中最強的酸是什麼？提示，這種酸甚至活躍到無法通過pH值來衡量其酸性。再試試這個問題：比水分子和氫分子更早出現，宇宙中第一個化學反應的產物是什麼？

　　這兩個問題的答案是同一種物質——氦合氫離子（HeH+）。布魯塞爾自由大學的Jerome Loreau稱它是「神秘的分子」（更確切地說，是「神秘的離子」，因為它帶有一個正電荷）。化學老師大概教過你，稀有氣體氦不會和任何物質反應。但事實證明，至少在某些條件下，老師說的完全不對。氦合氫離子很難獲得，儘管它的誕生標記了宇宙演化的重要轉折點，卻不曾被大多數天文學家耳聞。它是化學誕生的第一步，也是恆星、行星與生命誕生的起點。

　　這讓我想到了關於氦合氫離子最神秘的一點。「我們觀察不到它，」Loreau小心翼翼地說道，「在某種意義上，它們在宇宙中是隱形的。」

　　不僅僅是HeH+，其他宇宙中的第一代分子都是研究者看不到的。這些失落的碎片組成了宇宙歷史中一度被抹去的篇章。那是一個重要的時期，它有一個恰如其分的名字：「黑暗時代」（the Dark Ages）。

　　黑暗中的反應器

　　大爆炸後，在極其短暫的時間內，宇宙中充滿了極為緻密的高溫物質和高能輻射。宇宙快速膨脹，同時溫度不斷降低。38萬年後，當宇宙溫度降到4000K，質子和電子能夠結合成為氫原子。和此前渾濁的「粒子湯」不同，氫原子內部有大量的空隙，可以讓輻射在黑暗的宇宙中開始相對自由地穿行。

　　這些輻射的遺迹現在仍能輕易觀測到，這就是無處不在的宇宙微波背景輻射（CMB）。另一方面，物質開始變得不可見。直到幾億年後，宇宙的景象才再次被天文學家觀測到。這時的宇宙中，已經出現大量成熟的原始星系。

　　中間的幾億年里發生了什麼？沒錯，那是一段「黑暗時代」。

　　儘管我們無法直接看見「黑暗時代」，卻能從種種蛛絲馬跡中推測那時的宇宙。大爆炸理論精確地描述了宇宙初期的元素構成：氫、氦、氘（重氫）以及痕量的鋰。這就是遠古宇宙的全部。至於當時發生了什麼？當宇宙冷卻到能夠形成氫原子時，這些元素也開始相互作用並鍵結成為分子。我們可以認為，就在宇宙進入「黑暗時代」的那一刻，化學誕生了。

氦合氫離子的結構

　　「最初的化學反應非常簡單，宇宙就是一個極其乾淨的化學實驗室。」喬治亞大學的 Phillip Stancil說道。他和Loreau一樣以HeH+為研究對象，但也著眼於更多早期宇宙中不斷變化的化合物組成上。

　　Phillip要解決的問題是，我們如何確定HeH+是宇宙中第一個原子組合。HeH+由氦原子和質子構成，這個結構中的裸露質子，使HeH+成為非常強的酸，能夠結合任何與它碰撞的物質。一旦HeH+形成，就會觸發第一個氫分子的形成；很快會出現其他的原子組合，比如LiHe和H3+，這兩種微粒都非常不穩定，因此不能在自然界中存在。

　　看見恆星

　　在黑暗中，化學的誕生正引發一場變革。

　　原子態的氫有一個獨特的性質：如果你令一片由大量氫原子構成的星雲坍縮，它會變得越來越熱，直到原子熱運動足以平衡坍縮的趨勢。最終你得到了一片較小的，沒有什麼結構可言的星雲。一個僅僅由氫原子組成的宇宙是何其單調無味。

　　但氦合氫離子的出現帶來了有趣的變化。緊接著第一個氫分子產生，現代宇宙的組成得以在此基礎上發展起來。Satncil解釋說：「對分子來說有新的機制能在坍縮期間釋放能量。」分子向外輻射能量，因此星雲能進一步冷卻並繼續坍縮。儘管氫分子不是最佳的「冷卻劑」，但足夠讓百萬倍太陽質量的星雲自發完成引力坍縮。這些星雲後來演變成為最初的恆星。數十萬年甚至百萬年後，黑暗逐漸被照亮。

靜待升空的詹姆斯·韋伯空間望遠鏡或許能找到宇宙中最早的分子。

　　第一代恆星個頭過大，極不穩定。它們通過內部的核反應迅速形成更重的元素，然後以劇烈的超新星爆炸結束短暫的一生。在爆炸過程中，碳、氧和硅元素散播至周圍的星雲，並將宇宙的化學引入第二個階段。兩種新化合物——水和一氧化碳出現，它們大幅提高星雲冷卻的效率，催生出數量龐大的更小的恆星。飄散的星塵顆粒組成了星體的固態表面，催生了更複雜的化學過程。最終，氫和氦的組合退出了歷史舞台，讓位於宇宙中的璀璨星系。

　　在出現第一束光的時代，還存在一些更令人注目的事情。哈佛大學的Avi Loeb指出，這時宇宙整體溫度為大約300K（約27攝氏度），這意味著整個宇宙都處於適合生物生存的環境。

　　同時，那些爆炸的恆星都在釋放碳、氧、氮、磷等構成生命的基本元素。Loeb將每顆爆炸的恆星形容成一個孵化母體，它在周圍釋放一連串包含重要元素的「氣泡」。他很好奇，「黑暗時代」的結束是否也是宇宙中生命的開端。

智力的射電望遠鏡陣列ALMA

　　短暫的人類壽命看不盡漫長宇宙史的一瞬。幸運的是，一些經歷了「黑暗時代」的原始化合物保留了下來。相關化學計算表明，我們應該能在遙遠星系和超新星周圍的星雲中找到HeH+，甚至在行星狀星雲中也有可能。（行星狀星雲是恆星演化至紅巨星末期，氣體殼層向外膨脹並被電離後形成的發射星雲）。但是至今，尋找HeH+的努力還沒有得到回報。

　　「還沒有觀察到，但並不意味它不在那裡，」Stancil說，「它或許剛好低於檢測極限。」他例證說，天文學家直到20世紀90年代才發現重要的分子H3 +，「因為我們確實不知道應該看向哪裡。」

　　至於HeH+，Stancil寄希望於兩個新設備：智利的射電望遠鏡陣列ALMA和哈勃望遠鏡的接任者——尚未發射的詹姆斯·韋伯空間望遠鏡。它們的靈敏度雖不足以觀測到第一代恆星，但是通過這些恆星形成的星團光亮，或許能夠看到被照亮的宇宙早期分子。

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