Для існування таких речей, як зірки, галактики, планети та форми життя, як ми, потрібен багатий і різноманітний набір складних молекул. Але перед тим, як люди та всі складні молекули, з яких ми створили, могли існувати, перша споконвічна молекула, яка розпочала довгий ланцюг хімічних подій, що призвело до всього, що ви бачите навколо себе сьогодні.
Хоча давно теоретизували існування, відсутність спостережливих доказів для цієї молекули було проблематичним для вчених. Тепер вони знайшли це, і ті вчені можуть спокійно відпочивати. Їх теорія прогнозування виграє!
У перші дні Всесвіту існувало лише два-три типи атомів. Водень, гелій і мініатюрні кількості літію були створені нуклеосинтезом Великого Вибуху. Всі інші елементи були сформовані пізніше, у зірках. Зірки - це переважно водень, але зірки не могли сформуватися з простих атомів водню, створених у Великому вибуху. Вони утворюються з молекул водню. І молекулярний водень не міг утворюватися без так званої "першої молекули", комбінації гелію та водню, що називається гідридом гелію. Теорія говорить, що гідрид гелію був створений приблизно через 100 000 років після Великого вибуху.
"Бути там було так цікаво, вперше побачивши в даних гідрид гелію".
Рольф Гестен, Інститут радіоастрономії Макса Планка, головний автор.
Можна зобразити знімок раннього Всесвіту, десь близько 100 000 років після Великого вибуху. Було дуже жарко, і було заселене лише воднем, гелієм і цим крихітним шматочком літію. Перш ніж атомна популяція Всесвіту змогла диверсифікуватись, зірки повинні були сформуватися. Як тільки воно почало охолоджувати, умови починали стигнути, щоб зірки формувалися.
Але мало бути і щось інше. Охолодження Всесвіту було недостатньо для формування зірок. Треба було створити молекулярний водень, оскільки зірки створюються значною мірою з молекулярного водню, а не з простого атомного водню, створеного Великим Вибухом. (Вчені не називають це простим воднем, вони називають просто атомом водню.)
Більшість водню у Всесвіті - це молекулярний водень.
Але один атом водню є рідкісним у сучасному Всесвіті, тому що він є вільним радикалом і справді реагує. Молекулярний водень - це молекула, в якій два атома водню з'єднані між собою. Він складається з двох протонів і двох електронів і дуже стійкий. У космосі є масивні хмари молекулярного водню та зірки з цих хмар.
Проблема в ранньому Всесвіті полягала в тому, що, хоча все охолоджується, молекулярний водень не міг формуватися самостійно. Згідно теорії, для взаємодії із певною молекулою, перш ніж вона могла утворюватися, потрібен простий водень, і ця молекула була гідридом гелію. Ця взаємодія була першим кроком у хімії Всесвіту.
"Відсутність доказів існування гідриду гелію в міжзоряному просторі була дилемою для астрономії протягом десятиліть".
Рольф Гестен, Інститут радіоастрономії Макса Планка, головний автор
Хоча теорія стверджує, що гідрид гелію повинен існувати, і хоча він був створений в лабораторії в 1925 році, його ніколи не було помічено в космосі. Це дуже маринована молекула, тому що одним з її складових атомів є гелій, благородний газ. А благородні гази дуже неохоче реагують з іншими атомами.
Але тепер вони знайшли це.
У праці, опублікованій 17 квітня в журналі Nature, дослідники окреслили, як вони виявили невловимий гідрид гелію в
планетарної туманності під назвою NGC 7027. Вони використовували НАСА СОФІЯ, або
Стратосферна обсерваторія інфрачервоної астрономії, шукати її. SOFIA - це перетворений Boeing 747SP, який літає на великих висотах, над атмосферними перешкодами, щоб робити спостереження.
Ще з 1970-х років вчені вважали, що NGC 7027 має необхідні умови для існування гідриду гелію. Використовуючи SOFIA та німецький інструмент GREAT (німецький приймач на частотах Terahertz), вони досліджували NGC 7027, шукаючи невловиму молекулу.
Головний автор статті - Рольф Гестен з Інституту радіоастрономії Макса Планка, в Бонні, Німеччина. "Відсутність доказів існування гідриду гелію в міжзоряному просторі була дилемою для астрономії протягом десятиліть", - сказав Гестен.
Планетна туманність, де дослідники помітили її, має належні умови для формування гідриду гелію. Зірка, що старіє, випромінювала для молекули потрібне тепло і ультрафіолетове випромінювання. Але заглянути всередину цієї туманності виявилося дуже важко. Введіть СОФІЯ та ВЕЛИКИЙ.
SOFIA - це як би гібрид між наземним телескопом і космічним телескопом. З точки зору, що знаходиться в 45000 футів, він без більшості атмосферних втручань Землі, як космічний телескоп. Але це гнучкіше. Він приземляється між місіями, а його приладобудування можна змінювати або адаптувати більше, як наземний балон телескопа.
У цьому випадку німецький інструмент GREAT був інтегрований до СОФІЇ у 2011 році. Він виявився ключовим у цьому дослідженні.
"Ми можемо змінити інструменти та встановити новітні технології", - сказав Насіем Рангвала, науковий співробітник проекту SOFIA. "Ця гнучкість дозволяє нам покращити спостереження та відповісти на найактуальніші запитання, на які хочуть відповісти вчені".
У 2016 році вчені почали використовувати SOFIA та GREAT для зондування NGC 7027 для невловимого гідриду гелію. Кожна молекула взаємодіє зі світлом на своїй частоті, і GREAT був налаштований на частоту гідриду гелію, подібно до налаштування радіо на певну станцію. І їм нарешті пощастило.
«Бути там було так цікаво, вперше побачивши в даних гідрид гелію. Це приносить тривалий пошук до щасливого кінця і усуває сумніви щодо нашого розуміння основної хімії раннього Всесвіту.
Рольф Гестен, Інститут радіоастрономії Макса Планка, головний автор
"Бути там було так захоплююче, вперше в даних побачивши гідрид гелію", - сказав Гестен. "Це приносить тривалий пошук до щасливого кінця і усуває сумніви в нашому розумінні основної хімії раннього Всесвіту".
Отже, це щасливий кінець одному з найбільш часто заданих питань астрономії. Успішний висновок пошуку гідриду гелію - приємна перемога для наших теорій, що детально описують еволюцію Всесвіту.
Якщо ви дружите з вченим, спробуйте придбати їй пиво і проявіть вдячність за їх нелегку працю!
Джерела
- Науково-дослідна робота: Астрофізичне виявлення іона гідриду гелію HeH
- Прес-реліз: Перший тип молекули Всесвіту знайдений нарешті
- НАСА: веб-сайт СОФІЇ
- Вікіпедія: Іон гідриду гелію
