在數(shù)十年的搜尋之后，天文學(xué)家確切地探測到了氫化氦——形成于宇宙早期的最古老分子。

一個天文學(xué)研究小組以及一座飛行在高空中的天文臺最終在鄰近的星際空間中找到了氫化氦離子——宇宙中最早形成的分子。

在4月18日的《自然》雜志上，來自德國馬普射電天文所的羅爾夫·古斯騰（Rolf Güsten）寫道：“本文報告的確切探測終于圓滿回答了一道持續(xù)數(shù)十年之久的謎題?！?/p>

氫化氦離子（HeH+）。圖片提供：NIESYTO design

在宇宙尚處嬰兒期的時候，其中的物質(zhì)和輻射湯溫度極高，不允許構(gòu)成當(dāng)今我們周圍世界的原子或分子的形成。只有當(dāng)宇宙年齡達到大約38萬年，變得足夠冷卻之后，質(zhì)子和中子才得以結(jié)合起來形成原子。（哪怕此時，宇宙的溫度仍是極熱的4000 K，只比太陽的可見表面溫度低一些。）隨后原子彼此結(jié)合，形成了分子。

創(chuàng)世之始

考慮宇宙此時主要由氫和氦元素組成，宇宙中最早的原子是氫化氦離子（HeH+）可能并不太讓人吃驚。好吧，可能有點讓人吃驚：氦是一種“惰性”氣體，其化學(xué)性質(zhì)臭名昭著地不甚活躍。用物理的語言來說，氦的電離能（也就是移除一個電子所需的能量）是所有元素中最高的，因此讓它與另一個原子結(jié)合并不容易。

實際上，哪怕在條件特殊的早期宇宙中，這種離子存活的時間也不長。但它卻扮演了一個短暫卻重要的角色——氫化氦的解體帶來了分子氫（H2）的誕生，最終后者彌漫到了各個星系之中，形成了第一代恒星。因此氫化氦的存在是了解早期宇宙化學(xué)演化的關(guān)鍵。

然而多年以來，天文學(xué)家嘗試探測氫化氦的存在，但都失敗了。這種成分最早于1925年在實驗室中被合成，由于其脆弱性，它們一般在宇宙中非常少見。1970年，天文學(xué)家認(rèn)識到，我們可能能夠在新形成的等離子體中發(fā)現(xiàn)該分子的蹤跡。一項研究觀測了一個遙遠的類星體，另一項則瞄準(zhǔn)了鄰近的超新星1987A，但它們都沒能實現(xiàn)確切的探測。

再現(xiàn)早期宇宙中的環(huán)境

氫化氦可能大量形成的一類區(qū)域是在業(yè)已坍縮為白矮星的類太陽低質(zhì)量恒星周圍。在坍縮過程中，恒星會在壯麗的爆發(fā)（行星狀星云）中吹出其外圍的包層，而白矮星及其周邊氣體的相互作用為氫化氦的長期存在（進而被探測）再造了條件

為了考察花生狀行星狀星云NGC 7207的情況，古斯騰與同事搭乘由波音747改裝而來的同溫層紅外天文臺（SOFIA）飛向天空。SOFIA在吸收紅外線的低層大氣之上飛行。星云中央的新生白矮星年齡只有600年，溫度熾熱依然（19萬K）。它向周邊傾泄著紫外輻射，將氫和氦原子周邊的電子剝離掉。電離氦占據(jù)的球形區(qū)域較電離氫氦共存的區(qū)域稍大，就在這一薄薄的殼層內(nèi)，電離氦可以與中性氫結(jié)合，產(chǎn)生氫化氦離子。

古斯騰與同事使用德國太赫茲天文接收機（GREAT）儀器，在149.137微米的波長上確切探測到了氫化氦發(fā)出的輻射。這一發(fā)現(xiàn)不僅證實了HeH+的存在，還探測到了該分子形成和摧毀的過程（以及速率）。

圖片提供：合成圖：NIESYTO design；NGC 7207：William B. Latter (SIRTF Science Center / Caltech) and NASA / ESA; Spectrum: Rolf Gu sten / MPIfR (Nature, April 18, 2019)

宇宙中的化學(xué)過程始于這種離子。現(xiàn)在，天文學(xué)家可以松一口氣了，因為至少我們了解了早期宇宙化學(xué)演化的一小部分。

來源：中國天文科普網(wǎng)