Próba odtworzenia warunków sprzed 13,8 miliarda lat
W sterylnym środowisku Instytutu Fizyki Jądrowej Maxa Plancka naukowcy odtworzyli pierwsze reakcje chemiczne zachodzące po Wielkim Wybuchu. Wykorzystali do tego specjalny Pierścień Przechowywania Kriogenicznego (CSR), w obrębie którego panowała temperatura bliska zeru absolutnemu. Ta stanowi najniższą wartość spotykaną we wszechświecie, a naukowcom udało się osiągnąć temperaturę zaledwie o kilka stopni Celsjusza wyższą i wynoszącą około -267 stopni. Poza tym istotną rolę odegrała próżnia porównywalna z przestrzenią międzygwiezdną. W tych ekstremalnych warunkach autorzy eksperymentów skupili się na badaniu jonu wodorku helu (HeH+), znanego również jako helionium.
Czytaj też: Trzy Nagrody Nobla i stuletnia zasada podważone. Japończycy stworzyli niemożliwy związek chemiczny
Molekuła ta jest uważana za pierwszą cząsteczkę we wszechświecie i powstała około 380 tysięcy lat po Wielkim Wybuchu. Wtedy to temperatura panująca we wszechświecie spadła na tyle, by mogły tworzyć się pierwsze stabilne połączenia atomowe. Uzyskanie odpowiednich parametrów wymagało niezwykłej precyzji. Próżnia w urządzeniu była tak głęboka, że w 1 cm³ znajdowało się zaledwie kilka cząsteczek. Każdy stopień temperatury powyżej wymaganego poziomu mógł zafałszować wyniki, gdyż w młodym wszechświecie cząsteczki poruszały się znacznie wolniej niż obecnie. Kluczową rolę w eksperymencie odegrał moment dipolowy HeH+ wynoszący 1,66 debaja. Ta właściwość pozwalała cząsteczce działać jak naturalny układ chłodzący. W temperaturach poniżej 10 000 stopni Celsjusza atomy nie radziły sobie z rozpraszaniem ciepła, ale HeH+ dzięki możliwości wibracji i rotacji emitował fotony, schładzając otoczenie.
Zaskakujące wyniki podważają dotychczasowe teorie – ale co to oznacza w praktyce?
Największym zaskoczeniem dla badaczy okazała się stała szybkość reakcji niezależnie od temperatury. To odkrycie podważyło obowiązujące od 20 lat modele astrofizyczne, które przewidywały spowolnienie procesów w niskich temperaturach.
Poprzednie teorie przewidywały znaczny spadek prawdopodobieństwa reakcji w niskich temperaturach, ale nie byliśmy w stanie tego zweryfikować ani eksperymentalnie, ani w nowych obliczeniach teoretycznych naszych kolegów — Holger Kreckel, fizyk z MPIK
Okazało się, że błąd tkwił w nieprawidłowościach w powszechnie stosowanej powierzchni energii potencjalnej. W rzeczywistości reakcje pozostawały bezbarierowe nawet w ekstremalnym chłodzie. W praktyce oznaczało to, iż reakcje HeH+ z neutralnym wodorem i deuterem wydają się znacznie ważniejsze dla chemii we wczesnym wszechświecie, niż wcześniej zakładano. Dokonane odkrycia wskazują na konieczność rewizji modeli opisujących chemię helu w początkach kosmosu. Procesy z udziałem helionium okazały się kluczowe dla formowania wodoru molekularnego (H₂), będącego podstawowym budulcem gwiazd.
Czytaj też: Nowo odkryta galaktyka wygląda jak nieskończoność. Użyją jej do rozwikłania wielkiej zagadki wszechświata
Bez tego mechanizmu pierwsze protogwiazdy prawdopodobnie nie mogłyby się zapadać pod własnym ciężarem. Co ciekawe, konsekwencje sięgają także współczesnej astronomii. Modele używane do analizy mgławic planetarnych, czyli pozostałości po śmierci gwiazd, również mogą wymagać korekty. I nawet jeśli wyniki brzmią obiecująco, to należy pamiętać, iż to dopiero początek długiego procesu weryfikacji. Eksperyment pokazuje, jak badania laboratoryjne mogą uzupełniać obserwacje kosmiczne. Dzięki takim osiągnięciem możemy lepiej zrozumieć nie tylko narodziny pierwszych gwiazd, ale i cały cykl życia tych kosmicznych olbrzymów.