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Astrochemistry

宇宙首个分子终于在太空中被发现

观测到长期搜寻的分子可能会改变天体化学模型

by Sam Lemonick
April 17, 2019 | APPEARED IN VOLUME 97, ISSUE 16

 

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Credit: 图片来源: 哈勃望远镜/美国国家航空航天局/欧洲太空总署/judy Schmidt
经过长时间的搜索,研究人员在这个行星状星云中发现了氢化氦 。

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大爆炸约38万年后,构成我们宇宙的等离子体冷却到足以使原子核与电子开始结合。 氦是因此第一个形成的原子,而氦原子则很快与质子结合,形成宇宙中的第一个分子,氢化氦(HeH+)。

虽然化学家早在1925年就在实验室中制造出了氢化氦,但直到20世纪70年代,科学家才提出氢化氦可能存在于星际空间的介质中。四十年后,天文学家报告说他们终于观察到了氢化氦(Nature 2019, DOI: 10.1038/s41586-019-1090-x)。他们此举可能会改变太空中化学反应的模型。

乔治亚大学物理学家Phillip Stancil说,未能在宇宙中发现氢化氦一直使科学家们感到懊恼。 他是一篇2002年论文的作者之一,该论文将氢化氦确立为宇宙的第一个分子。Stancil说,氢化氦让科学家们烦恼的原因,是因为他们无法用实验数据支持20世纪70年代的宇宙化学模型。而现在,他们可以办到了。

马克斯普朗克射电天文学研究所的Rolf Güsten和同事在对行星状星云NGC 7027的观测中发现了氢化氦的特征谱线。科学家早前就认为该星云是可能找到氢化氦的地方之一。该星云中的氢化氦不是从原始宇宙中遗留下来的。行星状星云是在和太阳一般大的恒星坍塌之后形成的,坍塌的恒星迸溅出一层气体,并在其中心留下一颗白矮星。Güsten小组观测到的氢化氦便是在那层气体的内部形成的。

一些因素使科学家们对氢化氦的早期观测变得十分困难。首先是该分子的相对稀缺性。研究人员发现该分子的基态旋转跃迁为149.1 μm。 在149.09 μm处的碳–氢键跃迁经常掩盖这一信号。该信号也会被地球大气层中的水和其它分子遮挡,使得地面观测工作难上加难。

早前也没有现役或将要发射的太空望远镜用于观测氢化氦的这部分频谱。因此,在2016年,研究人员在由美国国家航空航天局(NASA)操控的改装飞机上运载了一台光谱仪,飞机上的望远镜随飞机在海拔高于12,000米的大气层最厚的部分上方飞行。Güsten的团队使用外差光谱仪,将入射光与参照光线进行比较,以提高灵敏度。研究人员因此能够在光谱数据中区分氢化氦跃迁与C–H谱线。

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Credit: 图片来源: 美国国家航空航天局照片/Jim Ross
研究人员使用NASA的机载望远镜SOFIA检测到了氢化氦。

“这经过了一个长期的搜索过程” 物理学家 Jérôme Loreau说。他开发了关于氢化氦以及其它分子在早期宇宙中如何形成的模型。 他说:“这一观察结果很有意思的一个原因是,预测的氢化氦丰度与观察到的丰度之间存在差异。”基于观察,Güsten的团队计算出的氢化氦丰度比太空化学反应模型预测的丰度高3倍。

Loreau说,这种不匹配的丰度表明天体物理模型尚有改进空间。Güsten也认同这个说法,他说道: “我觉得早期宇宙的模型会改变。”

Stancil则不太确定。 他说自己已经与一位同事制定了计划,根据上述发现重新计算氢化氦的反应速率。但他表示,研究人员的计算中有很多假设,可能掩盖了一些科学家尚未完全理解的事物。尽管如此,他说这一发现可能会促进新的建模以及实验,以提高我们对太空和早期宇宙中的化学的理解。.

该报道由李杰为C&EN翻译。文章的原始英文版本如下。 

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