如果有人問道:宇宙中發生的第一個化學反應的產物是什麼?

相信就算是學過多年化學的人,大多都會瞬間一臉懵:這個問題有點難啊?化學老師好像沒教過啊?

 

答不上來沒關係。

其實,這不賴化學老師,長期以來,連科學家們都不知道這個產物究竟藏在宇宙中的什麼地方。

但畢竟掛著「第一」的名號,這個產物尤為重要,因此,天文學家們花了幾十年的時間,在茫茫宇宙中孜孜不倦地尋找著它的身影,直到最近,他們終於如願以償!

2019年4月17日,一個研究小組在《自然》(Nature)上發表論文宣布,他們在行星狀星雲NGC 7027中探測到氦合氫離子(HeH+)[1]。這是人們第一次在現代宇宙中探測到這種離子,而它,就是名副其實的宇宙中第一個化學反應的產物。

行星狀星雲NGC 7027和HeH+的示意圖,其中紅球代表氦,藍球代表氫。來源:參考資料[2]

HeH+如何誕生的?

在解釋科學家到底幹了什麼之前,我們稍微花點時間,回到宇宙的早期,來看看宇宙中第一個化學反應究竟是怎麼回事兒。

大概是宇宙大爆炸後38萬年的時候,經歷高溫緻密狀態後的宇宙,伴隨著膨脹開始降溫,此時溫度已經降低到4000開爾文(K)以下。這時,在大爆炸核合成時期產生的輕元素(那個時候只有氫、氦和極少的鋰)的離子開始重新結合。氦離子(He2+和He+)首先與自由電子結合,形成宇宙中最早的中性原子。氫元素的重新結合也在隨後發生。

雖然化學課本告訴我們,氦是惰性氣體,在今天地球上常溫常壓的條件下很難發生化學反應。但是,在宇宙早期階段高溫緻密的環境里,情況卻完全不同,中性氦原子會與質子結合形成氦合氫離子——這就發生了宇宙中的第一個化學反應,產物中包含了宇宙中最早的化學鍵

化學反應的過程,其中hν是光子的能量。圖片來源:參考資料[1]

HeH+的結構示意圖,左側為質子,右側為氦原子,中間是化學鍵。圖片來源:Wikimedia Commons

化學的黎明就這樣來了。

氦合氫離子隨後會與氫原子發生相互作用,形成氫分子。氫分子是形成最初的恆星的基礎。恆星又像「元素工廠」一樣,製造了組成今日宇宙的所有元素。這些元素的奇妙組合接著造就了生命,我們才有機會在這裡討論這個問題。

見證生命的萌芽。圖片來源:Pixabay

HeH+或許就在那兒,然而我們看不到

儘管在早期宇宙的演化過程中,氦合氫離子發揮著非常重要的作用,天文學家卻始終沒有在星際空間中探測到它的存在,因此也無法證明化學誕生過程中這至關重要的第一步。

造成這一狀況的原因是他們使用的太空望遠鏡沒辦法把氦合氫離子的信號從其他分子發出的混雜信號中識別出來。

正如這篇論文的通訊作者、德國馬克斯·普朗克射電天文研究所的羅爾夫·居斯騰(Rolf Güsten)所說:「數十年來,在星際空間中找不到這種離子存在的證據將天文學置於左右為難的境地中。」[2]

早在1925年,化學家已經在實驗室中合成了這種離子。但是直到20世紀70年代後期,天文學家才開始討論在天體環境中存在這種離子的可能性,並把行星狀星雲作為尋找這種離子的候選區域。

行星狀星雲是由類似於太陽的恆星在演化末期不斷向外拋射的物質構成。這種星雲不斷膨脹,最後拋出的氣體和塵埃彌散於星際空間中,僅留下中央的高溫恆星。天文學家認為,行星狀星雲的物理條件與早期宇宙相似,很有可能會產生這種離子,並且密度足以被探測到。

行星狀星雲NGC 7027。圖片來源:Wikimedia Commons

其實,天文學家在一開始就瞄準了這次發現HeH+的行星狀星雲NGC 7027。這個星雲距離地球3000光年,位於天鵝座附近。但是當時的觀測並沒有獲得確定的結果,隨後的研究雖然暗示HeH+的存在,也依然沒有實現直接探測。

給出答案的,是「飛機上的天文台」

從2016年開始,天文學家嘗試藉助於同溫層紅外線天文台(Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy,SOFIA)進行探測。這是一個由美國國家航空航天局(NASA)和德國航空航天中心(German Aerospace Center,DLR)聯合發起的空基天文台,實際是把觀測設備搭載在一家波音747SP寬體客機上

你沒看錯,這就是飛行中的同溫層紅外線天文台。圖片來源:Wikimedia Commons

SOFIA於2010年投入使用。飛機在距離地面14000米以上的高度飛行,可以避免地球大氣層的很多干擾。而且相比於太空望遠鏡,SOFIA的一個明顯的優勢是在每次飛行後,天文學家都可以及時對探測計划進行調整並安裝最新的設備。

SOFIA科學中心主任哈羅德·約克(Harold York)這麼評價SOFIA的作用:「氦合氫離子就隱藏在那兒,但是我們需要正確的設備在正確的位置進行觀測才能發現它,而SOFIA可以完美地做到這一點。」[2]

這次幫助天文學家發現氦合氫離子的設備,就是在最近的一次設備升級中加裝的德國太赫茲頻率接收器(German Receiver at Terahertz Frequencies,GREAT)。這台儀器有點像我們聽廣播使用的收音機,天文學家將它調頻到希望尋找的這種離子的發射頻率上,就像我們把收音機調台到想聽的那個頻道上一樣。

SOFIA在夜晚進行觀測的時候,飛機上的科學家可以實時從設備上讀取數據。2016年5月,SOFIA在3次飛行中進行了觀測。居斯騰領導的研究小組對觀測獲得的數據進行了分析,氦合氫離子的信號就這樣被最終發現。

首次發現氦合氫離子令居斯騰和很多天文學家感到激動,一場長久的搜尋終於有了一個完美的結局。

在大爆炸理論的基礎上,我們形成了對早期宇宙化學的理解,同時推斷出它如何經過上百億年的時間演化成今天宇宙中的複雜的化學。第一個化學反應的出現無疑是其中一個關鍵的部分。

氦合氫離子的發現打消了我們曾有的顧慮,使得我們可以繼續信任已有的理論,並且指引我們去發現宇宙更深層次的秘密。

我們都是散落的星骸。現在我們確切地知道,這個故事該從何說起。