Kosminės istorijos atkūrimas: Pirmosios Visatos chemijos paslaptys

Kosminės istorijos atkūrimas: Visatos pirmosios chemijos atkūrimas

Pirmą kartą mokslininkams pavyko atkurti chemines reakcijas, kurios nulėmė pačių pirmųjų Visatos molekulių susidarymą iškart po Didžiojo sprogimo. Tarptautinė mokslininkų komanda, vadovaujama Maksas Planko branduolinės fizikos instituto (MPIK) fizikų iš Vokietijos, atidžiai atkūrė šiuos pirminius procesus specialiai įrengtose laboratorinėse aplinkose. Tai suteikė naujų žinių apie fundamentalias chemines reakcijas, leidusias susiformuoti žvaigždėms – ir gyvybei.

Mokslinis kontekstas: Nuo Didžiojo sprogimo iki molekulių susidarymo

Maždaug prieš 13,8 milijardo metų, naujagimė Visata buvo nepaprastai karšta ir tanki plazma, pilna elementariųjų dalelių, bet be stabilios atomų struktūros. Tik praėjus apie 380 000 metų šis įkaitęs chaosas atvėso tiek, kad protonai ir elektronai galėjo susijungti į pirmuosius atominius branduolius, iš kurių susidarė elementarūs cheminiai elementai. Vėlesniu laikotarpiu vandenilis tapo pagrindiniu Visatos statybiniu elementu, netrukus sekė helis ir nedidelis kiekis ličio – šios medžiagos išlieka pagrindinėmis kosminės evoliucijos dalimis iki šių dienų.

Lemiamas virsmo taškas buvo helio hidrido jono (HeH+) atsiradimas – tai molekulė, sudaryta iš neutralaus helio atomo ir jonizuoto vandenilio atomo. Manoma, kad ši molekulė atliko esminį vaidmenį atvėsimo ir evoliucijos procesuose, kurie leido susiformuoti molekuliniam vandeniliui (H₂) – gausiausiai Visatoje randamai molekulei ir pagrindinei žvaigždžių susidarymo medžiagai.

Helio hidrido jono (HeH+) vaidmuo ankstyvajame žvaigždžių formavimesi

HeH+ molekulė kelia ypatingą astrofizikų ir astrochemikų susidomėjimą dėl unikalios struktūros, kurioje ryškiai išreikštas elektrinių krūvių pasiskirstymas. Šios savybės dėka, HeH+ efektyviai išsklaidydavo energiją esant kosminiams elektriniams laukams, taip atvėsindamas pirmines dujas ir sukurdamas sąlygas, kad gravitacija galėtų kondensuoti molekulinius debesis į žvaigždžių formavimosi regionus.

Be HeH+ molekulių, ankstyvoji Visata tikėtina nebūtų pakankamai greitai atvėsusi, kad susidarytų tankūs molekuliniai dariniai, kas būtų uždelsę žvaigždžių ir galaktikų atsiradimą.

„Jaunosios Visatos“ atkūrimas: Kriogeninės saugojimo žiedo eksperimentas

Siekdami atkurti pirmykštės Visatos sąlygas, MPIK komanda pasitelkė modernųjį kriogeninį saugojimo žiedą. Ši pažangi įranga leidžia eksperimentuoti itin žemoje temperatūroje – vos keliais laipsniais aukščiau absoliutaus nulio (apie –267 °C), beveik tobuloje vakuumo aplinkoje, kuri labai tiksliai primena tarpžvaigždinės erdvės tuštumą.

Tokiomis sąlygomis mokslininkai tyrė reakcijas tarp helio hidrido jonų ir deuterio – sunkiojo vandenilio izotopo, turinčio papildomą neutroną. Tiksliai kontroliuodami HeH+ ir neutralaus deuterio dalelių srautus, jie stebėjo sąveikas, kurios sukūrė neutralius helio atomus ir jonizuotas vandenilio-deuterio molekules (HD+), turinčias reikšmingos įtakos ankstyvajai Visatos chemijai.

Siekdami giliau suprasti šiuos procesus, mokslininkai keitė dalelių susidūrimo energijas – imituodami skirtingas temperatūras – ir taip stebėjo, kaip šios reakcijos vyko šaltyje, artimame kosminių erdvių sąlygoms.

Pagrindiniai atradimai ir astrofizinė reikšmė

Priešingai nei buvo prognozuota anksčiau, tyrimas parodė, kad HeH+ reakcijos efektyvumas nekito net ir labai sumažėjus temperatūrai. Šis atradimas turi didelę reikšmę – tai reiškia, kad HeH+ viso vėsimo proceso metu išliko pagrindiniu katalizatoriumi, padėjusiu susiformuoti molekuliniam vandeniliui ir pirmosioms žvaigždėms.

MPIK fizikas Holger Kreckel pažymi: „Ankstesni modeliai prognozavo, kad reakcijų dažnis žemose temperatūrose smarkiai mažės, tačiau mūsų eksperimentų ir naujų skaičiavimų rezultatai tai paneigia. Pasirodo, HeH+ sąveika su vandeniliu ir deuteriu buvo daug reikšmingesnė pirmykštėje Visatos chemijoje, nei manyta iki šiol.“

Šie revoliuciniai eksperimentai ne tik patvirtina ilgalaikes teorijas apie pirmuosius molekulinius junginius, bet ir paneigia anksčiau vyravusias nuostatas apie pagrindinių cheminių reakcijų priklausomybę nuo temperatūros. Suvokimas, kaip vyko šie procesai, leidžia tiksliau atskleisti žvaigždžių kilmę, molekulių formavimąsi bei galaktikų raidą.

Ateities perspektyvos – laboratorinės astrochemijos proveržiai

Gebėjimas imituoti ankstyvosios Visatos sąlygas laboratorijoje – didžiulis šuolis astrofizikos ir astrochemijos srityse. Šio tyrimo rezultatai atveria naujus kelius gilesniems molekulinės Visatos tyrimams, leidžia geriau suprasti, kaip po Didžiojo sprogimo kūrėsi pirmieji cheminiai junginiai, o iš jų – žvaigždės ir galaktikos.

Toliau analizuojant esmines reakcijas esant ekstremalioms sąlygoms, tikimasi dar labiau praplėsti žinias apie kosminius procesus, galbūt net priartėti prie sudėtingų molekulių ar gyvybės pėdsakų paieškos už Žemės ribų.

Išvados

Atkuriant pirmąsias Visatos chemines reakcijas laboratorijoje, mokslininkams pavyko naujai nušviesti molekulinio vandenilio ir žvaigždžių susidarymo kilmę. Ypatingą svarbą dar kartą įgavo helio hidrido jonai (HeH+), patvirtinant jų lemiamą vaidmenį Visatos evoliucijoje. Šis darbas padeda atsakyti į opius klausimus apie pirmykštę cheminę raidą bei atveria duris būsimiesiems tyrimams, ieškant molekulinių mūsų kosminio paveldo pagrindų.