在宇宙初期，化學(xué)是怎樣誕生的?數十年前，就有科學(xué)家提出，氦合氫離子(HeH+)是宇宙中的第一個(gè)化學(xué)反應產(chǎn)物，但科學(xué)家一直無(wú)法證實(shí)該物質(zhì)存在于宇宙環(huán)境中。終于，在最新的《自然》雜志中，科學(xué)家從行星狀星云 NGC 7027 中探測到 HeH+，這是人們首次在宇宙中探測到這種離子。

　　從古至今，總有一些基本問(wèn)題隱藏了很深的科學(xué)道理，比如先有蛋白質(zhì)還是先有核酸(遺傳物質(zhì))?要回答這個(gè)問(wèn)題，必須要用演化論的眼光，追溯到生命起源的最初時(shí)刻。

　　當然，打開(kāi)元素周期表，類(lèi)似的問(wèn)題還有很多，比如恒星給我們造就了鐵，超新星給我們造就了金。那么一直朝宇宙早期追溯，一個(gè)類(lèi)似的問(wèn)題就浮現出來(lái)：“先有氫還是先有氦?”

　　在元素周期表中，第 1 號元素氫以及第 2 號元素氦的地位非常特別。在任何單位，1 號與 2 號都是激烈的競爭者。

　　先有氫還是先有氦?

　　這個(gè)問(wèn)題還真是蠻重要的。當然了，這個(gè)問(wèn)題的答案還得分成兩部分來(lái)說(shuō)。

　　對于氫原子核與氦原子核來(lái)說(shuō)，在宇宙大爆炸早期，存在一個(gè)“原初核合成”階段。在這個(gè)階段，首先產(chǎn)生氫原子核，然后再有氦原子核。

　　氫原子核其實(shí)就是質(zhì)子，質(zhì)子的質(zhì)量 1.6726231 × 10-27 kg，如果用愛(ài)因斯坦的質(zhì)能方程E=MC2 來(lái)?yè)Q算，質(zhì)子的質(zhì)量是 938 百萬(wàn)電子伏特，而每一個(gè)電子伏特大概相當于 1 萬(wàn)攝氏度。因此，只要宇宙的溫度降低到 9 380 000 百萬(wàn)攝氏度的時(shí)候，質(zhì)子就會(huì )在宇宙中產(chǎn)生。通過(guò)與宇宙大爆炸一開(kāi)始的普朗克能標做比對，根據宇宙早期輻射為主的特點(diǎn)，可以計算出氫核(質(zhì)子)是在宇宙大爆炸后 1 秒鐘的時(shí)候就形成了。

　　而氦原子核是在宇宙大爆炸后 3 分鐘才開(kāi)始形成的。

　　所以，氫原子核的出現要早于氦原子核。而我們知道，元素的地位是由原子核的地位決定的，所以在這個(gè)意義上，氫先于氦出現。

　　當然，事情并沒(méi)有那么簡(jiǎn)單——化學(xué)家不這樣看。因為對化學(xué)家來(lái)說(shuō)，原子更重要，光看原子核是不行的。

　　對于氫原子與氦原子來(lái)說(shuō)，它們不但有原子核，還需要結合電子才可以形成原子。出人意料的是，在宇宙大爆炸的早期，氦原子的形成要早于氫原子的形成。

　　對于宇宙早期發(fā)生的天文現象，天文學(xué)家觀(guān)測到的是光譜線(xiàn)。而宇宙是在膨脹的，所以越是宇宙早期的天文現象，其相對應的光譜波長(cháng)越容易被宇宙膨脹所拉長(cháng)，產(chǎn)生所謂的“紅移”現象。

　　所以知道了“紅移”，也就知道了宇宙學(xué)意義上的“時(shí)間”，宇宙學(xué)家經(jīng)常用紅移來(lái)標記時(shí)間。比如宇宙誕生后 38 萬(wàn)年，光子開(kāi)始變得自由，最后形成今天看到的宇宙微波背景輻射。宇宙誕生后 38 萬(wàn)年，按照宇宙學(xué)家的說(shuō)法，也就是紅移 1100 的時(shí)候。

　　香港科技大學(xué)物理系的王一老師在接受《環(huán)球科學(xué)》采訪(fǎng)時(shí)表示：“中性的氦原子是在紅移約 2000 的時(shí)候出現的，而中性的氫原子在紅移 1100 的時(shí)候出現。”

　　中性氫原子出現的時(shí)間，也就是宇宙微波背景輻射出現的時(shí)間——那時(shí)候就是宇宙 38 萬(wàn)歲的時(shí)候，也就是紅移 1100 的時(shí)候。

　　紅移的數值越大，表示距離現在的時(shí)間越久遠，也意味著(zhù)這個(gè)原子出現的時(shí)間越古老。氦原子光譜的紅移比氫原子更大，氦原子才是宇宙中第一個(gè)出現的原子。

　　當然，我們也可以用量子力學(xué)來(lái)解釋為什么氦原子會(huì )比氫原子更早在大爆炸核合成過(guò)程中出現：氦離子 He2+ 和 He+ 具有比H+ 更高的電離勢，所以它們可以率先與自由電子結合，形成第一個(gè)中性原子。

　　以上就是整個(gè)事情的兩個(gè)側面。

　　HeH+是宇宙中第一個(gè)分子?

　　我們有了氫與氦，這相當于宇宙中的物質(zhì)有了基礎材料，后面的故事就更多了。這些材料間的第一次化學(xué)反應是怎樣進(jìn)行的，它的產(chǎn)物是什么?

　　20 世紀 70 年代，就有天文學(xué)家提出，中性氦原子與質(zhì)子結合形成氦合氫離子(HeH+)，這正是宇宙化學(xué)反應的開(kāi)端。

　　HeH+ 看起來(lái)很簡(jiǎn)單，它就是一個(gè)氦原子結合一個(gè)質(zhì)子形成的。這叫做分子離子——因為它看起來(lái)像分子，但其實(shí)是一個(gè)離子。但科學(xué)家認為 HeH+ 比氫分子更早在宇宙中出現，所以在理論上它是宇宙中第一個(gè)分子離子。

　　早在 1925 年，化學(xué)家霍格內斯(T。 R。 Hogness)與倫恩(E。 G。 Lunn)在就地球實(shí)驗室中合成出這種分子離子。但在宇宙中，科學(xué)家始終沒(méi)有發(fā)現 HeH+ 的蹤跡。

　　近 100 年過(guò)去了，到了 2019 年 4 月 17 日，科學(xué)家終于取得了突破：美國航空航天局(NASA)與德國航空航天中心的聯(lián)合項目——同溫層紅外觀(guān)測臺(SOFIA)的高分辨率 GREAT 分光儀，檢測到 HeH+ 發(fā)射的紅外線(xiàn)。這一結果發(fā)表在《自然》雜志上。

　　HeH+ 在宇宙中被找到了!

　　能證明 HeH+來(lái)自宇宙早期嗎?

　　本次對 HeH+ 的天文發(fā)現是由德國馬克斯·普朗克射電所的拉爾夫·古斯滕(rolf Güsten)等人完成的。他們依靠的是同溫層紅外觀(guān)測臺(SOFIA)的高分辨率 GREAT 分光儀。

　　這些分光儀的數據是在 2016 年 5 月同溫層紅外觀(guān)測臺(SOFIA)在飛機上飛行 3 次后得到的。通過(guò)這些數據可以分析出 NGC 7027 星云中存在 HeH+。

　　不過(guò)，這次探測到的氦合氫離子雖然是在宇宙中，但一定不是在宇宙極早期形成的。

　　為什么會(huì )這樣呢?因為本次探測到 HeH+ 的 NGC 7027 星云中距離我們地球只有 3000 光年，這在宇宙學(xué)意義上來(lái)說(shuō)是一個(gè)很近的距離。而且本次觀(guān)測到的 HeH+ 的譜線(xiàn)紅移等于零，所以它絕不是來(lái)自于宇宙早期。前面已經(jīng)說(shuō)到，如果是宇宙早期出現的 HeH+，那么其紅移應該介于 1100(氫原子出現)與 2000(氦原子出現)之間，接近于宇宙微波背景輻射的紅移。

　　拉爾夫·古斯滕在論文中提到的 NGC 7027 是一個(gè)年輕的星云，他們認為其條件類(lèi)似于早期宇宙的物理條件，因此這在一定程度上也可以證明早期宇宙中也有 HeH+ 存在——不過(guò)這理由看起來(lái)似乎有點(diǎn)勉強了。

　　如果想要證明早期宇宙中確實(shí)存在 HeH+，那么必須要探測到高紅移的 HeH+ 譜線(xiàn)。

　　所以，HeH+ 雖然在宇宙中被找到了，但要說(shuō)它是宇宙中第一個(gè)分子，還需要證明它真的很老——需要找到 HeH+ 的高紅移譜線(xiàn)才行。

　　宇宙中最強的酸

　　既然在宇宙中已經(jīng)找到了 HeH+，那么它到底是一種什么樣的物質(zhì)呢?化學(xué)家猜測，它可能是宇宙中最強的酸。

　　HeH+ 是由氦原子和質(zhì)子構成，而在這個(gè)結構中質(zhì)子是完全裸露的，這使 HeH+ 能夠結合任何與它碰撞的物質(zhì)分子中的電子——這就表現出極大的酸性。

　　盡管目前還不能確認 HeH+ 是不是宇宙中的產(chǎn)生的第一個(gè)分子，但這次發(fā)現仍然是一個(gè)積極信號，這說(shuō)明 HeH+ 確實(shí)可以在星際空間中存在。而 HeH+ 是形成氫分子的祖宗，它也為在星際空間中尋找中性氫提供了一個(gè)有價(jià)值的線(xiàn)索。

　　無(wú)論怎么樣，這都是科學(xué)的勝利。
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