宇宙中第一个分子的前世今生

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宇宙中第一个分子的前世今生

来源：化学加编辑部陈十五 2020-05-22

导读：当你仰望星空的时候，是否好奇宇宙是如何从虚无混沌演化成如今的炫目璀璨？宇宙中的第一个原子是什么？什么样的环境里才能诞生宇宙中的第一个原子？原子间的第一个化学反应是什么？宇宙中第一个分子又是如何诞生？

在遥远的太空中，那里的温度和压力与地球上的有很大的不同。因此，其中许多化学物质与我们所熟悉的化学物质不同，上述的问题的答案是难以预测甚至有些是无法知晓的。2019年，科学家最终发现了一个长期被预测的分子：氢化氦（HeH⁺），这项突破正在改变我们对太空化学的理解。

开天辟地：宇宙首个原子的诞生

众所周知，宇宙中的第一个“原子”根本不是现代科学所定义的原子，它们仅仅是尚未找到电子的原子核。当宇宙爆炸发生时，宇宙中能量激增，所有的物质都粉碎成微粒。在该过程中，质子和中子经常发生碰撞，其中一部分会形成较大的核，例如氘核和具有两个质子和两个中子的氦核。质子和中子的各种其他排列也已形成，在早期的宇宙中所有原子核团簇基本上只是氢、氦和痕量锂（图1）。

在这三个原子核中，氦原子是第一个形成了真实原子。我们都知道原子不仅是原子核，还必须拥有电子。那么为什么氦原子核是第一个聚集大量电子的微粒，而非氢或锂原子核呢?

我们都知道氦气是元素周期表中的第一个“稀有气体”，也是第一个拥有足够的电子以完全填充其所有电子轨道的元素。因此，如果说电子是构成化学的主要成分，那么氦元素则是元素周期表中电子的主要“窃取者”。在现代实验室中，从氦气中夺取电子比从任何其他元素中夺取电子需要更多的能量，而且夺取第二个电子所需的能量是夺取第一个电子所需能量的两倍以上。因此我们可以想象，在早期的宇宙中，一旦氦原子核找到了电子，它们就会在氢原子核开始捕获电子之前，甚至在锂原子核收集所有三个所需电子之前，就充满电子形成了真正原子。

图1. 氢原子、氘原子、氦原子以及锂原子的原子结构（图片来源：Sci. Am.）

成键起源：宇宙首个分子的形成

那时，宇宙中其余物质主要是由孤立的质子组成，这些质子由于缺少电子，他们开始放慢脚步，寻找带有相反电荷的配偶体，以使它们保持电中性。但是由于氦原子核的强大“窃取”电子的能力，氢原子核自身捕获自由电子较为困难，因此它转向了已经生成的氦原子（图2）。尽管它不愿与氦气原子共享电子，但氦原子一直持续存在于氢核团簇中，频繁的碰撞最终导致氦原子与质子共享电子。至此，宇宙中诞生了第一根化学键。氦和氢组成新化合物被称为氢化氦（HeH⁺），被认为是宇宙中第一个持久存在且有一定丰度的化学分子^[1]。

图2. HeH⁺的轨道模型和球棍模型（图片来源：Sci. Am.）

氦竟然是宇宙第一个参与化学反应的元素，因为当今的科学理解中，氦是与其他元素成键可能性最小的元素，即为最惰性的元素。然而在早期的宇宙中，氦气是唯一一个可以给出电子的物种。这个推测几十年来虽然有坚实的理论基础作为依据，但长期以来一直缺乏实验观察的佐证。除实验室外，HeH⁺不能在地球上形成，然而天体化学家也一直没有在太空中发现这一物种。然而，去年天文学家宣布他们首次观察到这种分子，潜伏在一颗垂死恒星的尘埃中。历经40年的搜寻后，科学家们终于取得了成功，并且在为早期宇宙如何形成的研究中添加了新的重要内容。到目前为止，科学家已经在太空中发现了200多种分子，而HeH⁺现在也被列入了外星分子的行列。

这项对天体化学的研究，旨在阐明太空中存在什么分子，它们如何形成以及它们的演化对观测和理论天体物理学的重要意义。有一些星际分子在地球上是广泛存在的，包括已知的水、氨和甲醛。然而其他的星际分子则在地面上是及其罕见的，例如带有额外质子的盐酸离子团和过氧化氢失去一个氢原子形成的超氧根离子。科学家们还观察到含有所谓惰性元素的分子，例如ArH⁺（氩气和氢的混合物）和最近记录的HeH⁺。

大海捞针：HeH⁺分子藏身之所被发现

尽管在多年以后光谱学领域取得了越来越多的突破，但是HeH⁺分子仍然难以捕捉。这是因为，在宇宙爆炸早期之后，形成的第一个分子将很快消散。随着宇宙的进一步发展、膨胀和冷却，剩下的氢原子核开始收集自己的电子。到那时，中性氢原子会感受到HeH⁺分子上的正电荷，这会诱导原子和分子发生碰撞，相对较弱的He-H键断裂，两个氢原子之间形成了更强的共价键H₂⁺。此后，氦原子基本上则被保留累积下来。

按照该机理，宇宙中短暂存在的HeH⁺是无足轻重的，因为它很快就消失了，但事实并非如此。相关化学反应模型表明，如果不形成HeH⁺，H₂⁺和H₂的诞生将会慢得多。但是，一旦形成了H₂，整个化学反应领域就开始迅速增长，最终会生成水、乙醇和更复杂的分子，而这一切起源于HeH⁺分子。

图3. 寻找HeH⁺分子的光谱特征的图示（图片来源：Nature）

在2013年，天文学家正对无处可寻的HeH⁺感到沮丧时，研究人员则在蟹状星云超新星残骸中发现了相关的稀有气体分子ArH⁺，这成为了一个充满希望的信号。此后，科学家将搜索重点放在了类似的超能量环境中。不过，更大的问题是，HeH⁺与第一个观察到的太空分子CH自由基相类似的指纹区域。2016年5月，一个国际团队使用平流层红外天文台(SOFIA)进行了三晚的观测（图3），该SOFIA示波器具有辨别HeH⁺独特的旋转频率指纹所需的分辨率。于是科学家在一个地狱般的地方，充斥着高温和高能量，如同早期的宇宙那样的环境里，小心翼翼地分辨出了HeH⁺的特征指纹。2019年4月17日，由德国波恩的马克斯·普朗克射电天文学研究所的RolfGüsten领导的团队在《自然》杂志上发表了一篇报道，预示了HeH⁺的发现^[1]。

展望未来：太空化学揭示更多起源

天体化学着眼于分子的最基本特性，它有助于确定真正的键合、分子的保留时间以及为什么某些化学物种比其他化学物种更普遍。通过研究与地球相比环境迥异的太空中的化学分子，我们可以找到挑战我们固有认知的分子，并使我们对化学有更深入的了解。太空化学的终极目标是希望了解化学是如何形成现有的星系并最终使生命得以实现的。

科学家们观察到了在宇宙中形成的第一个分子，并确定了属于神秘DIB（Diffuse Interstellar Bands，弥散星际带）的第一个指纹，其他难题也随之出现。天体化学家希望解决更棘手的问题，例如“其余的DIB指纹是什么？”，“生命的分子起源是什么？”和“对于形成固体行星而不是气体巨行星，什么化学物质是必需的？”这一切研究都将从最简单的电子出发，正是电子的共享在宇宙中产生了可观测的物质。当我们对这些化学过程有更深入的了解时，我们将对天体物理学和宇宙的整体历史有更深入的了解。

[1] Astrophysical detection of the helium hydride ion HeH+., Nature, 2019, 568, 357–359

原文链接：https://www.scientificamerican.com/article/the-first-molecule-in-the-universe/

撰稿人：陈十五

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