宇宙中的第一神秘分子，終於被找到！

在今天的宇宙中，我們看到物質會聚集在一起，形成巨大、複雜的結構，比如行星、恆星、星系......

但這一切都是從何而來？

回到138億年前，在大爆炸後，宇宙非常炙熱。那時恆星、星團等還沒有出現，有的只是少數的幾種元素，其中大部分是氫和氦。隨著宇宙的不斷膨脹和冷卻，在大爆炸核合成時期產生的輕元素便開始結合。

科學家認為，在大爆炸的10萬年後，中性氦原子（He）與質子（實際上是帶正電的氫離子，H?）會開始反應，形成宇宙中的第一批分子：HeH?（氦合氫離子）。這是宇宙演化的第一步。

○氦合氫離子是早期宇宙形成的第一批分子。| 圖片來源：NASA/Ames Research Center

之後，HeH?與氫原子反應，創造了形成氫分子的第一個路徑，這為第一批恆星的形成奠定了基礎。之後，在宇宙的漫長演化歷史中，恆星逐漸創造了宇宙中的其他元素（比如碳、氧、氮等）。儘管HeH?在早期宇宙歷史上有著如此重要的位置，但在過去，科學家一直沒有在星際空間中尋找到它的蹤跡。

我們知道，氦本身是一種惰性氣體，很難與其他原子結合。但在1925年，實驗科學家設法讓氦與氫離子共享一個電子，成功地在實驗室中創造出了HeH?。但是，我們真的可以找到這些誕生於早期宇宙的第一批分子嗎？我們可能永遠無法找到它們，因為它們在很久以前應該就已經消失了。

然而，到了1970年代末，理論家預測這些分子很有可能在行星狀星雲中形成，因為在那裡有著與早期宇宙相似的物理條件。但40多年來，科學家並沒有發現任何證據，這使得相關理論也受到了質疑。

馬克斯普朗克射電天文研究所的天文學家Rolf Güsten表示：「宇宙的化學始於HeH?。長久以來，由於缺乏能證明它存在於星際空間中的確鑿證據，使得天文學陷入左右為難的處境。」

2016年，天文學家再次瞄準了一個年輕的行星狀星云：NGC 7027。

○行星狀星雲是一顆低質量到中等質量的恆星（比如我們的太陽）在耗盡其燃料後，將其外層拋出而形成的。外層的氣體膨脹進入太空，形成通常有著環狀或氣泡狀的星雲。大約200年前，威廉·赫歇爾稱這些球狀的云為行星狀星雲，因為它們像行星一樣是圓的。在行星狀星雲的核心，會留下一顆熾熱的白矮星。圖中顯示的是行星狀星雲NGC 7027。| 圖片來源：WILLIAM B. LATTER/SIRTF SCIENCE CENTER/CALTECH, NASA, ESA

NGC 7027距離地球大約3000光年，其中央的恆星是天空中已知最熾熱（190000開爾文）、最明亮（太陽光度的一萬倍）的恆星之一，它所釋放的紫外輻射和熱量創造了適合形成HeH?的條件。

但是，即使是離地球非常近的行星狀星雲，要從中探測到HeH?也是一件非常棘手的事情。因為這些分子所釋放的紅外波很容易被地球的大氣阻擋，因此地面上的望遠鏡根本無法用於觀測。

○相比於太空望遠鏡，SOFIA的一個優點是每次觀測結束後都會返航，這使科學家可以更換儀器並且安裝好最先進的技術。這種靈活性可以使我們不斷地改善觀測結果。| 圖片來源：NASA

為了解決這一問題，天文學家將高科技望遠鏡安裝在了一架名為SOFIA（全稱為「索菲亞平流層紅外天文台」）的飛機上。他們將望遠鏡對準了NGC 7027，並使用了一種類似於無線電接收器的儀器調頻到HeH?的發射」頻率「上，就好比是把收音機調到喜歡收聽的電台一樣。

○根據量子力學定律，每個分子都會以特定的頻率釋放輻射，這些頻率可以被計算和在實驗室中測量。這些獨特的「指紋」可以通過光譜學的方法進行清晰的辨別。旋轉的HeH?離子的最低躍遷發生在2010GHz頻率（對應于波長0.149毫米）。| 圖片來源：NIESYTO design, William B. Latter and Rolf Güsten and NASA/ESA

4月17日，Güsten與同事將最新發現發表在了《自然》期刊上：他們在NGC 7027中首次探測到了HeH?，最終確認了它們的確存在於星際空間之中。這一結果證實了我們對早期宇宙化學的基本理解，為數十年的搜索畫上了一個圓滿的句號。

參考來源：

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1090-x

https://www.mpifr-bonn.mpg.de/pressreleases/2019/5?fbclid=IwAR3W1UbOJh13ikvIT88y8sVB6FE3v9_zbjowfgXoa-Du2aJSKF9yJls2GHc

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