終於找到了宇宙中的第一種分子

插圖展現了行星狀星雲NGC 7027和氦化氫分子。在這個行星狀星雲中，SOFIA探測到氦化氫，它是氦（紅）和氫（藍）的結合，是早期宇宙中形成的第一種分子。這是第一次在現代宇宙中發現氦化氫。

Credits: NASA/SOFIA/L. Proudfit/D.Rutter

經過數十年的探索，人們首次在太空中探測到第一種在宇宙中形成的分子。科學家利用世界上最大的機載天文台（airborne observatory），NASA的同溫層紅外線天文台（Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy，SOFIA），在我們自己的星系中發現了它的信號。

宇宙很年輕時，只有幾種原子存在。科學家認為，大爆炸（the big bang）後大約10萬年，氦和氫結合起來，首次製造出一種叫氦化氫（Helium hydride）的分子。現代宇宙中應該存在氦化氫，但直到現在才被發現。

SOFIA在行星狀星雲（昔日像太陽一樣的恆星的「殘骸」）NGC 7027中發現了現代氦化氫。NGC 7027距天鵝座（constellation Cygnus）3000光年，具有允許這種神秘分子形成的條件。這一發現證明了氦化氫實際上可以存在於太空中，同時也證實了我們對早期宇宙化學的基本理解的關鍵部分，以及它如何在數十億年後演變成今天這般複雜的化學結構。研究結果發表在本周的《自然》雜誌上。

「這種分子潛伏在那兒，我們需要正確的儀器在適當的位置進行觀測，SOFIA就完美地做到了，」SOFIA科學中心（位於加州矽谷）主任Harold Yorke說道。

今天，宇宙充滿了大而複雜的結構，例如行星、恆星和星系。但是130多億年前（大爆炸之後），早期的宇宙很熱，只有幾種原子，主要是氦和氫。當原子結合形成分子時，宇宙才能夠冷卻並開始形成其他結構。科學家推斷，氦化氫是第一個原始分子。

冷卻開始後，氫原子便可以與氦化氫相互作用，從而產生分子氫——主要負責形成第一波恆星的分子。恆星繼續製造更多元素，構成我們今天化學結構豐富的宇宙。但問題是，科學家們無法在太空中找到氦化氫。直到現在，化學誕生的第一步終於得到證實。

「數十年來，星際空間中缺乏氦化氫存在的證據一直是天文學中的困境，」馬克斯普朗克射電天文研究所（Max Planck Institute for Radio Astronomy，位於德國波恩）的Rolf Guesten說，他是該論文的第一作者。

氦化氫是一種「很難搞」的分子。氦本身是一種惰性氣體，因此不太可能與任何其他種類的原子結合。但是在1925年，科學家們通過誘導氦氣與氫離子共享其中一個電子，能夠在實驗室中創造出這種分子。

後來，在20世紀70年代後期，研究NGC 7027的科學家認為這種環境可能恰好形成氦化氫。來自「老去恆星」的紫外線輻射和熱量剛好提供了條件。但他們的觀測結果並無定論。隨後的研究暗示該分子的存在，但一直檢測不到。所使用的太空望遠鏡沒有特定的技術，未能從星雲中其他分子的混合物中提取出氦化氫的信號。

2016年，科學家們向SOFIA尋求幫助。SOFIA的飛行高度達到14公里，在地球大氣層上方進行觀測。但不同於太空望遠鏡的優勢在於，它在每次飛行後會返回。

「我們能夠更換儀器並安裝最新技術，」SOFIA副項目科學家Naseem Rangwala表示，「這種靈活性使我們能夠改進觀測並回應科學家最迫切的問題。」

最近SOFIA上升級的一種儀器稱為German Receiver at Terahertz Frequencies （或GREAT），上面增加了以前望遠鏡沒有的氦化氫的特定頻道。該儀器像無線電接收器一樣運作：科學家們調整正在搜索的分子的頻率，類似於用調頻收音機找電台。當SOFIA進入夜空時，科學家們正在實時讀取儀器中的數據。終於，氦化氫的信號清晰地出現了。

「第一次在數據中看到氦化氫是非常令人興奮的，」Guesten說，「這為長期的搜索帶來了一個歡樂的結局，並消除了我們對早期宇宙中基礎化學的理解的疑慮。

機載天文台SOFIA的科學家發現了宇宙中形成的第一種分子。他們在天鵝座附近的行星狀星雲中發現了氦和氫的化合物，稱為氦化氫。這一發現證實了我們對早期宇宙化學的基本理解的關鍵部分，以及它如何在數十億年後演變成今天這般複雜的化學結構。

Credits: NASA/Ames Research Center

SOFIA，即同溫層紅外線天文台，是一架波音747SP噴氣客機，經過改裝後可以攜帶直徑67米的望遠鏡。這是NASA和德國航空太空中心（DLR）的聯合項目。NASA的艾姆斯研究中心（Ames Research Center，位於加利福尼亞州矽谷）與大學空間研究協會（Universities Space Research Association，總部位於馬里蘭州哥倫比亞）以及斯圖加特大學的德國SOFIA研究所（DSI）合作管理SOFIA項目、科學、和任務運營。該航天器由NASA的阿姆斯特朗飛行研究中心（Armstrong Flight Research Center，位於加利福尼亞州帕姆代爾）維護和運營。

參考：

https://www.nasa.gov/feature/the-universe-s-first-type-of-molecule-is-found-at-last/

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