Первыми химическими элементами, появившимися непосредственно после Большого взрыва, были в основном водород или дейтерий и гелий. Присутствовали там также следы лития. И лишь намного позже сформировались первые звезды и образовалось сегодняшнее многообразие более тяжелых элементов. Но еще раньше, когда охлаждающаяся вселенная впервые после Большого взрыва допустила химические реакции, из существующих веществ должна была сформироваться первая молекула, то есть частица из двух или более атомов. Эта молекула ознаменовала собой, так сказать, рождение химии во вселенной.
Фотомонтаж, составленный из планетарной туманности NGC 7027, иона гидрида гелия и идентифицирующего светового сигнала. © Композиция: NIESYTO design; фото NGC 7027: William B. Latter (SIRTF Science Center/Caltech) и NASA/ESA; спектр: Rolf Güsten/MPIfR
Начала всей химии
Согласно теории, это был гидрид гелия, HeH+. При этом в атоме гелия объединились, соответственно, по два протона, нейтрона и электрона, а также ядро из водорода. Исходя из этого, в ходе реакций возникли дальнейшие легкие соединения, такие как молекулярный водород. А это значит, что ион гидрида гелия имеет исключительное значение для моделей ранней Вселенной.
Впервые он был получен в лабораторных условиях еще в 1925 году, но астрофизических доказательств его важнейшей роли не удавалось получить в течение многих десятилетий. «Химия Вселенной началась с HeH+. Отсутствие доказательств существования этой молекулы в межзвездном пространстве долгое время представляло собой дилемму астрономии», - объясняет Рольф Гюстен из Института радиоастрономии им. Макса Планка (MPIfR) и ведущий автор новой публикации в журнале Nature.
NGC 7027 в своей полной красе. Фото: WILLIAM B. LATTER (SIRTF SCIENCE CENTER/CALTECH); NASA/ESA
С 1970-х годов предполагалось, что неуловимый ион гидрида гелия может быть обнаружен в так называемых планетарных туманностях. Они состоят из газовой оболочки вокруг белых карликов, то есть бывших звезд солнечного типа в конце их жизни. Интенсивное излучение центральной звезды, показывают многочисленные и всесторонние расчеты, должно вести к образованию гидрида гелия в этой оболочке.
Примерно на расстоянии 3000 световых лет от нас в направлении созвездия Лебедя и находится такая планетарная туманность - NGC 7027. И именно здесь долгому поиску было суждено завершиться успехом. Исследователи использовали при этом характерное излучение, испускаемое каждым атомом и молекулой. Их длины волн можно сравнить с отпечатками пальцев, и они позволяют идентифицировать различные частицы в астрономических объектах.
Летающий телескоп
Но при этом в случае молекулы HeH+ длина волны находится в диапазоне, в котором атмосфера Земли непроницаема для телескопов, размещенных на поверхности Земли. То есть для беспрепятственного обзора и исследования самому телескопу необходимо было сначала подняться как можно выше от земной поверхности. И летающим глазом ученых стала SOFIA (Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy), то есть «Стратосферная обсерватория инфракрасной астрономии», совместный проект Немецкого аэрокосмического центра (DLR) и NASA.
SOFIA (Стратосферная обсерватория инфракрасной астрономии) при работе с открытым люком телескопа. Фото: NASA (Carla Thomas)
SOFIA представляет собой переоборудованный Boeing 747SP с зеркальным телескопом, который поднимается на высоту от 13 до 14 километров, преодолевая искажающие помехи нижних слоев атмосферы. При этом, в отличие от спутников, техническое обслуживание самолета намного проще и дешевле, и, базируясь на земле, технологии могут регулярно обновляться и переоснащаться. Благодаря этому, исследователи смогли сделать измерения SOFIA совместимыми с длиной волны гидрида гелия и обеспечить долгожданное подтверждение начала начал химии во вселенной.
«Подтверждение HeH+ является захватывающим и прекрасным примером тенденции природы к образованию молекул», - заявил Дэвид Нойфельд из Университета Джона Хопкинса в Балтиморе и соавтор этой уникальной работы. - «Несмотря на многообещающие существующие ингредиенты, смесь водорода со слабо реагирующим благородным газообразным гелием в суровых окружающих условиях при температурах более 1000 градусов по Цельсию образовала очень хрупкую молекулу. Примечательно, что это явление может наблюдаться не только на практике астрономами, но и благодаря разработанным нами теоретическим моделям».
-2
