Molekula helijum hidrida, za koji se dugo znalo da postoji u laboratoriju i za koji se dugo mislilo da će biti prisutan u prostoru pod pravim temperaturnim uvjetima i u prisustvu pravih elemenata, konačno je otkrivena: u planetarnoj maglici NGC 7027. Nije, međutim, pronađena je kao relikvija iz ranog Svemira, gdje je vjerovatno postojala, ali je brzo uništena. (NASA / SOFIA / L. PROUDFIT / D.RUTTER)

Znanstvenici nisu baš našli prvi molekul u svemiru

Bila je prva molekula, a pronašli smo jednu upravo takvu. Ali postoji velika razlika.

Konačno je pronađena prva molekula Svemira! O tome su naslovi proglasili ovaj tjedan, jer je NASA-in Stratosferski opservatorij za infracrvenu astronomiju (SOFIA) promatrao do sada neuhvatljivu tvar poznatu kao helijev hidrid. Dio toga je apsolutno istinit, jer je helij hidrid zaista bila prva molekula formirana u vrlo, vrlo ranom Svemiru, a ovo je prvi put da je otkrivena njegova prisutnost u svemiru, a ne sintetizirana u laboratorijima ovdje na Zemlji.

Ali dio toga nije istina. Helijev hidrid koji smo pronašli ne potiče iz tih ranih vremena. U stvari, 100% helijum hidrida koji je bio dio prvih molekula ikada napravljenih u Svemiru trajno je uništeno davno. Nikada je nismo vidjeli, a najvjerojatnije, nikada nećemo ni biti. Evo zašto.

Kako se materija (vrh), zračenje (sredina) i kozmološka konstanta (dno) razvijaju s vremenom u svemiru koji se širi. Kako se svemir širi, gustoća materije se razrjeđuje, ali zračenje postaje i hladnije kako se njegove valne duljine šire na dulja, manje energetska stanja. (E. SIEGEL / BEZ GALAKSE)

Pokušajte zamisliti, ako možete, Svemir kakav je bio u mnogo ranijim fazama vrućeg Velikog praska. Kada danas pogledamo Svemir, vidimo da je pun tvari sve zbijeno u zvijezde, galaksije, grozdove i duž ogromne kozmičke mreže. Vidimo dokaze da se ovaj Svemir širi, a udaljene galaksije i klasteri šire se jedan od drugog bržim brzinama što su dalje. Pored toga, vidimo i Svemir ispunjen kupkom niskoenergetskog zračenja u svim smjerovima.

To znači, kako vrijeme prolazi, Svemir dobiva:

  • veći,
  • rjeđi,
  • clumpier,
  • i hladnije.

Što naravno podrazumijeva da ako gledamo unatrag u vremenu, bilo je i suprotno.

Vizualna povijest svemira koji se širi uključuje vruće, gusto stanje poznato kao Veliki prasak i naknadno rast i stvaranje strukture. Potpuni niz podataka, uključujući promatranje svjetlosnih elemenata i kozmičke pozadine mikrovalne, ostavlja samo Veliki prasak kao valjano objašnjenje za sve što vidimo. Kako se svemir širi, tako se i hladi, omogućujući ione, neutralne atome, a na kraju i molekule, plinske oblake, zvijezde i konačno galaksije. (NASA / CXC / M. WEISS)

Mi vidimo naš Svemir kakav je i danas, nekih 13,8 milijardi godina nakon Velikog praska. Dok izgledamo dalje i dalje, vidimo Svemir kakav je bio i kad je bio mlađi; zapravo se vraćamo u vrijeme. Najstarije galaksije bile su manje, plavije i sadržavale su manje teških elemenata nego naše, jer tek kroz izgradnju mnogih generacija zvijezda koje žive i umiru dolazimo do galaksija poput našeg modernog Mliječnog Puta.

Zapravo, možemo se vratiti u još ranija vremena: prije nego što smo formirali bilo kakve zvijezde ili galaksije. Prvih nekoliko desetaka milijuna godina nakon Velikog praska, gravitacija još nije imala dovoljno vremena da se povuku prvi neutralni atomi u grozdove, što znači da još nismo zapalili nuklearnu fuziju u njima. Jedino spajanje dogodilo se tijekom najranije, najtoplije, najgušće faze Velikog praska i dalo nam je vodik, helij i ne mnogo drugo.

Predviđena obilje helija-4, deuterija, helija-3 i litija-7 kako je predviđala nukleosinteza Velikog praska, s opažanjima prikazanima u crvenim krugovima. Svemir sadrži 75–76% vodika, 24–25% helija, malo deuterija i helija-3, te litij u masi. Svaka od ovih vrsta započinje u potpunosti ioniziranom, ali atomska jezgra s većom količinom naboja mogu dobiti elektrone lakše od jednostavnog vodika. (NASA / WMAP SCIENCE TEAM)

U stvari, nakon što se dogodila nuklearna fuzija tijekom prvih nekoliko minuta naše kozmičke povijesti, Svemiru je bilo potrebno stotine tisuća godina da se ohladi na dovoljne količine da bismo mogli stabilno formirati neutralne atome. Prije toga, fotoni unutar njega bili su dovoljno energični da neprekidno udaraju svaki pojedini elektron iz bilo kojeg atomskog jezgra s kojim se slučajno susreću i vežu.

Kad je Svemir bio star svega nekoliko minuta, elementi unutar njega bili su (prema težini) oko 75% vodika, 25% helija i maleni udio deuterija, helija-3 i litija. Kako se tijekom tisućljeća hladila, svi fotoni - uključujući i one najanergičnije koji su bili primarno odgovorni za ionizaciju - izgubili su energiju. Kao rezultat, ove atomske jezgre, s različitim masama i različitim nabojima, počinju dobivati ​​elektrone u različitim vremenima.

Iako su atomska jezgra nastala nakon samo nekoliko minuta u Svemiru, stvari su se tada bile vrlo vruće. Tek kad se Univerzum proširio i ohladio tisućama godina, elektroni su se mogli početi vezati za te jezgre, a da ih opet ne ioniziraju, pri čemu su različiti elementi dobivali elektrone različitim brzinama na temelju njihovog električnog naboja i konfiguracije atomske orbitale. (HIDROGENSKI IZVOR REIONIZACIJSKE NOSAČA (HERA))

U najranijim vremenima sve je u potpunosti ionizirano, a jezgre helija i vodika nemaju elektrone.

Nakon otprilike 32.000 godina, Svemir se dovoljno ohlađuje da se jedan elektron može započeti vezati za jezgru helija. Zapamtite, potrebna su dva elektrona da formiraju atom neutralnog helija, tako da je helij upravo na pola puta tamo.

Nakon još 100 000 godina, kada svemir dosegne starost od 132 000 godina, taj drugi elektron može se konačno vezati za helij, a da ga ne otpušte. Imamo prvi stabilni, neutralni atom: helij. Ali helij ne tvori veze vrlo lako s drugim atomima: to je inertan, plemeniti plin.

Elementi u prvoj grupi periodičke tablice, posebno litij, natrij, kalij, rubidij i tako dalje, gube svoj prvi elektron mnogo lakše nego bilo koji drugi elementi. Energetski je mnogo lakše ionizirati vodik nego ionizirati helij čak jednom, a potrebno je četiri puta više energije za ionizaciju helija, kao i potpuno ioniziranje vodika. (WIKIMEDIA COMMONS USER SPONK)

Tek kad je svemir star oko 380 000 godina, pojedinačni protoni i elektroni se vežu zajedno da bi tvorili atome vodika. Atomi vodika mogu se lako povezati s drugim atomima vodika, stvarajući molekulski vodik (H2) koji smo dobro upoznati.

Ali došlo je između vremena - nakon što se atomi helija formiraju, ali dok je vodik još ioniziran - gdje se formiraju prve prave molekule. Ne zaboravite da se molekula jednostavno definira gdje god imate molekularnu vezu između jednog atoma (ili iona) i drugog. Možda ćete se koristiti za molekule koje nastaju iz neutralnih atoma koji se isključivo vežu (poput O2, kisika), ali parovi atom-ioni također tvore molekularne veze, poput ioniziranog ugljika (C +) s neutralnim atomima fluora (F), koji se vežu (formirajući) CF +) i emitiraju foton postupkom poznatim kao zračenje.

Kad su dva atoma, ili ion i atom, dobro razdvojeni, oni su nevezani. Međutim, za njih je često energetski pogodno formiranje molekularne veze, a kada to učine, vezano stanje, koje ima nižu energiju, mora emitirati foton da bi ušlo u to molekularno stanje. Smatra se da je helijev hidrid, veza između neutralnog helija i ioniziranog vodika, prva molekula koja se formirala u Svemiru. (SAYLOR AKADEMIJA / CC-BY-3.0)

Pa, kada je Svemir u tom međuvremenu, gdje postoji neutralni helij (He), ali sav je vodik ioniziran (H +), te dvije vrste se također mogu povezati zajedno putem zračenja. Kada se atom helija i vodikov ion sudaraju, tvore molekulu poznatu kao helijev hidrid (HeH +), a emitira se karakteristični foton koji označava snagu molekularne veze.

Iako se u vijestima ne pojavljuje toliko fizika ili astronomija, kemija spojeva poput helijevog hidrida ima dugu i bogatu povijest. Sam helijev hidrid otkriven je tijekom njegovog stvaranja u laboratoriju prije gotovo jednog stoljeća: davne 1925. Teoretski bi trebao postojati i u okruženju međuzvjezdanog prostora: i u ranom Svemiru, kada je postao prva molekula, ali i kasnije , kada astrofizički procesi stvaraju ionizirajuće vodikove plazme u prisustvu neutralnog helija.

Pri kraju života zvijezde nalik Suncu ona počinje otpuhavati svoje vanjske slojeve u dubine prostora, tvoreći protoplanetarnu maglu poput maglice Jaja, ovdje viđenu. Tamo gdje su prisutni ionizirani vodik (H +) i neutralni helij (He), trebalo bi biti moguće formirati ion helij-hidrida (HeH +), koji ima molekulsku vezu. (NASA I HUBBLE HERITAGE TEAM (STSCI / AURA), HUBBLE SPACE TELESCOPE / ACS)

Svi rani svemirski helijum hidrid trebao je biti uništen kada vodik postane neutralan, jer je helijev hidrid daleko manje energetski povoljan od stvaranja neutralnog vodika. Nakon što se ohladite ispod određenog kritičnog praga, vaš će helij hidrid utjecati na neutralni vodik, preferirajući tako da formira molekule vodika (H2) i izolirane atome helija (He). Prva molekula Svemira nije dugo trajala; do vremena kad je možda prošlo 500 000 godina, sve je nestalo.

Ali kasnije, čak i u modernom Svemiru, postoji savršeno mjesto gdje bi helijum hidrid trebao postojati u našem Svemiru danas: u ioniziranim plazmama umirućih sunčevih zvijezda. S dovoljno visokim temperaturama da ioniziraju vodik, ali i dosta neutralnog helija koji je istjeran iz vanjskih slojeva zvijezda koje umiru, ove bi planetarne maglice trebali biti idealni domovi za helij hidrid.

Smatralo se da za planetarnu maglu NGC 7027 postoje dobri uvjeti za stvaranje helijum hidrida, ali tvrdio je da su otkrića kontroverzna dugi niz godina, budući da se u prethodnim studijama nije uspjela oduprijeti kontroli. (HUBBLE, NASA, ESA; ZAHVALA: PRESUDA SCHMIDT)

Iako je prošlo više od 40 godina od kako su planetarne maglice predložene kao domovi helijum hidrida, zapažanja ga nikada nisu suočila. Dio razloga je taj što emisije helijum hidrida potječu iz rotacijskog prijelaza koji emitira pri vrlo niskoj energiji: stvaranja fotona na 149,1 mikrona, smještanja u udaljeni infracrveni dio spektra.

To ne možete vidjeti s tla, jer atmosfera to zastira. Možete ga pokušati vidjeti iz svemira, ali instrumenti koji su lansirani u promatračnice poput Herschela i Spitzera nisu bili dovoljni da ga otkriju. Ali tu dolazi NASA-ina SOFIA. Leti do 45 000 stopa iznad mračne atmosfere. Ali, budući da se vraća na Zemlju, njegove se instrumente može lako nadograditi. A nadogradnja njemačkog prijemnika na Terahertz Frequency (GREAT) instrumentu bila je upravo ono što su astronomi trebali.

NASA-in teleskop SOFIA, koji leti na modificirani Boeing 747, jedinstveno je prilagođen za izradu visokokvalitetnih daljinsko infracrvenih opažanja, dok na brodu još uvijek ima ispravne, nadogradive instrumente. (ECHO ROMEO / FIZIKA CENTRALNO / AMERIČKO FIZIČKO DRUŠTVO)

Ova je nova studija prvi put utvrdila da ioni helijum hidrida zaista postoje u svemiru. Promatrajući planetarnu maglu NGC 7027 s ovim novo unaprijeđenim instrumentima, znanstvenici su mogli vidjeti ovaj karakteristični prijelaz koji je nepogrešiv potpis helijum hidrida. Prema Rolfu Güstenu, glavnom autoru nove studije objavljene u časopisu Nature,

"Bilo je tako uzbudljivo biti tamo, prvi put kad vidim podatke helijum hidrid. To donosi dugu potragu za sretnim završetkom i uklanja sumnje u našem razumijevanju temeljne kemije ranog svemira. "

Ovo je prvi dokaz da helijum hidrid može i postoji u prirodnom prostoru prostora.

NASA-in Stratosferski opservatorij za infracrvenu astronomiju (SOFIA) s otvorenim vratima teleskopa. Ovo zajedničko partnerstvo između NASA-e i njemačke organizacije DLR omogućava nam da uzmemo najsuvremeniji infracrveni teleskop na bilo koje mjesto na Zemljinoj površini, omogućavajući nam promatranje događaja gdje god da se pojave. (NASA / CARLA THOMAS)

Najveća lekcija iz svega ovoga je da postoji nevjerojatna vrijednost prevladavanja granice između zemaljske i svemirske astronomije. Odlazak u svemir je sjajan jer se više ne trebate boriti protiv interferirajućih učinaka Zemljine atmosfere. Boravak na zemlji je izvrstan jer ne morate platiti troškove lansiranja, veličina vašeg teleskopa nije ograničena veličinom lansirnog vozila, a vaši instrumenti su nadogradivi.

Ali jedinstveni instrument poput SOFIA daje nam najbolje iz oba svijeta. Kao što je rekao Hal Yorke, direktor Znanstvenog centra SOFIA,

"Ova molekula je skrivala vani, ali potrebni su nam bili ispravni instrumenti koji su vršili opažanja u pravom položaju - i SOFIA je to mogla savršeno."

Dugo se smatralo da je helij hidrid prva molekula u Svemiru, ali prije nismo uspjeli otkriti njegovu prirodnu prisutnost u svemiru. Konačno, imamo dokaz njegovog postojanja, a s njim i daljnju potvrdu naše slike o tome kako je Svemir postao takav kakav je danas.

Starts With A Bang je sada na Forbesu, a objavljen je na Mediumu zahvaljujući našim pristalicama Patreona. Ethan je autor dvije knjige, Beyond The Galaxy iTreknology: The Science of Star Trek od Tricorders do Warp Drive-a.