宇宙中第一个分子被发现_风闻

原创：牧夫天文

翻译：陈艳玲

校译：华子乾 陆寅枫 田程偲 汪荣鑫

编排：胡暖暖

原文链接：

https://www.universetoday.com/142022/the-first-molecule-that-was-possible-in-the-universe-has-been-seen-in-space/

恒星、星系、行星和生命中存在着各种各样的复杂分子才能实现，但是在人类和我们制造的所有复杂分子可能存在之前，必须有第一个原始分子开始一系列化学事件，产生我们今天看到的一切。

尽管理论上很久以前就已经证明分子存在，但缺乏对该分子的观测证据对科学家来说是个问题。现在他们已经找到了这个分子，证明他们的理论是正确的！

在宇宙的早期，只有两种或三种原子。大爆炸的核合成创造了氢，氦和微量的锂。所有其他元素都是在恒星中制造的。恒星的主要成分是氢，但恒星不能由大爆炸中产生的简单氢原子形成。它们来自所谓的分子氢，然而如果没有所谓的“第一分子”——氢化氦，就不能形成分子氢。理论上说，大爆炸后大约10万年就形成了氢化氦。

NGC7027中的氢化氦分子

Composition: NIESYTO design; Image NGC 7027: William B. Latter (SIRTF Science Center / Caltech) and NASA / ESA; Spectrum: Rolf Güsten / MPIfR (Nature, April 18, 2019)

若在大爆炸后大约10万年拍摄一张宇宙的快照。会发现它非常炎热，只有氢、氦和一点点锂。在宇宙的原子种类可以多样化之前，恒星必须形成。一旦宇宙开始冷却，恒星形成的条件开始变得成熟。

但是其他事情也必须发生。宇宙的冷却不足以形成恒星，必须创造分子氢。因为恒星主要由分子氢而不是大爆炸创造的简单原子氢制成。（科学家们并不称之为简单的氢，他们称之为氢原子。）

宇宙中的大多数氢是分子氢。但是，在今天的宇宙中，单个氢原子是罕见的，因为它是一个自由基，并且极易反应。分子氢是两个氢原子键合在一起的分子，它由两个质子和两个电子组成，非常稳定。太空中有大量的分子氢云，云中会产生恒星。

看！它就是氢化氦，即所谓的第一分子。

图片来源：By CCoil (talk) – Own work, CC BY-SA 3.0

早期宇宙中的问题在于，即使物质冷却，分子氢也不能自行形成。根据理论，简单的氢需要在形成之前需要与特定分子相互作用，这个特定分子就是氢化氦。这种相互作用是宇宙化学的第一步。

尽管理论表明氢化氦必须存在，而且它在1925年的实验室中已经被创造出来了，但它却从未在太空中看到过。它是一种非常挑剔的分子，因为它的一个组成原子是氦，一种惰性气体。惰性气体非常不愿与其他原子发生反应，因此氢化氦很难产生。

但是现在我们找到了它

在4月17日发表在“自然”杂志上的一篇论文中，研究人员概述了他们如何在行星状星云NGC 7027中标记到了氢化氦。他们使用美国宇航局的红外天文学平流层天文台（Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy，SOFIA）来寻找它。SOFIA是一架经过改装的波音747SP飞机，它在高海拔地区飞行以避免大气干扰进行观测。

自20世纪70年代以来，科学家们认为NGC 7027具有氢化氦存在的必要条件。自此科学家使用SOFIA和德国GREAT仪器（Terahertz Frequencies的德国接收器）探测NGC 7027，寻找氢化氦分子。

NGC 7027是一个年轻，密集的行星状星云。科学家在那里发现了“第一分子”氢化氦。NGC 7027位于Cygnus星座，距离我们大约3000光年远。

图片来源：By William B. Latter (SIRTF Science Center/Caltech) and NASA

该论文的主要作者是德国波恩马克斯普朗克射电天文学研究所的Rolf Guesten。Guesten说：“星际空间中缺乏氢化氦存在的证据是几十年来天文学面临的一大困境。”

NGC 7027中，老化的恒星为分子形成了提供了适宜的热量和紫外线辐射。但是看到这个星云内部还是非常困难的。

SOFIA是NASA与德国航空航天中心DLR的合作伙伴。在该图像中，可以看到SOFIA上搭载的100英寸直径的望远镜。

图片来源：NASA

SOFIA有点像地面望远镜和太空望远镜之间的混合体。在13000多米的高空中，它既可以免受地球大部分的大气干扰，就像太空望远镜一样。但它更灵活，可以不时降落在地面，其仪器可以更改或改装，就像地面望远镜一样。

在这种情况下，德国GREAT仪器于2011年被整合到SOFIA中。并且它已被证明是这项研究的关键。

“我们能够更换仪器并安装最新技术，”SOFIA副项目科学家Naseem Rangwala说。“这种灵活性使我们能够更新观测设备，改进观测效果，回答科学家们想要回答的最迫切的问题。”

2016年，科学家们开始使用SOFIA和GREAT来探测NGC 7027以寻找氢化氦。每个分子在其自身频率上与光相互作用，并且GREAT被调谐到氦氢化物的频率，类似于将无线电调谐到特定站。他们最终成功发现了氦化氢。

“在那里，第一次在数据中看到氢化氦是非常令人兴奋的，”Guesten说。“这为我们的长期探索划上了快乐的句号，并消除了对我们对早期宇宙的化学理论推演的怀疑。”

『天文时刻』 牧夫出品

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一张新月状的地球，1969年11月23日由阿波罗12号宇航员拍摄，当时他们正从月球返回地球。

Credit：Jason Major