Badacze z Instytutu Fizyki Jądrowej Maxa Plancka w Heidelbergu postanowili przetestować zachowanie wodorku helu w warunkach zbliżonych do panujących miliard lat temu. Wykorzystali do tego unikalny Pierścień Przechowywania Kriogenicznego, jedyne takie urządzenie na świecie zdolne odtworzyć temperatury zaledwie kilku stopni powyżej zera bezwzględnego. W ramach eksperymentu zderzali jony HeH⁺ z neutralnymi atomami deuteru, mierząc dokładnie szybkość reakcji w ekstremalnych zimnie.
Ta niepozorna cząsteczka, złożona z atomu helu i protonu, stanowiła początek chemicznych połączeń w kosmosie. To właśnie ona utorowała drogę dla wodoru molekularnego (H₂) – paliwa pierwszej generacji gwiazd. Choć jej istnienie przewidziano teoretycznie dawno temu, nikt nie spodziewał się takiego obrotu sprawy.
Niespodziewana aktywność. Teorie wymagają rewizji
Największym zaskoczeniem okazała się reaktywność wodorku helu w niskich temperaturach. Wbrew obowiązującym przez lata modelom, cząsteczka nie zwalniała wraz ze spadkiem ciepła, a jej reakcje z deuterem pozostawały zaskakująco stabilne. Dr Holger Kreckel z MPIK przyznaje, że wcześniejsze teorie sugerowały wyraźny spadek aktywności w takich warunkach, jednak żadne pomiary ani obliczenia tego nie potwierdziły.
Okazało się, że problem tkwił w fundamentalnym błędzie w modelach teoretycznych. Powszechnie stosowana powierzchnia energii potencjalnej zawierała artefakt, generujący sztuczną barierę energetyczną. Dopiero współpraca z fizykiem teoretycznym Yohannem Scribano pozwoliła skorygować ten model. Nowe obliczenia, oparte na udoskonalonych parametrach, wykazały bezbarierowy charakter reakcji. Poprzednie szacunki rozmijały się z rzeczywistością – przy 10 kelwinach różnica wynosiła ponad rząd wielkości.
To rzuca nowe światło na formowanie gwiazd. Rola chłodzenia
Odkrycie zmienia postrzeganie roli wodorku helu w ewolucji kosmosu. Podczas tak zwanych kosmicznych ciemnych wieków, zanim zapłonęły pierwsze gwiazdy, cząsteczki HeH⁺ mogły odgrywać kluczową rolę w chłodzeniu pierwotnego gazu. Skuteczne odprowadzanie ciepła było niezbędne, aby obłoki materii zapadały się pod własnym ciężarem tworząc protogwiazdy.
Czytaj także: Wielki Wybuch to jedna z ostatnich rzeczy, które można podważyć. Dlaczego?
Podczas gdy pojedyncze atomy wodoru słabo radziły sobie z uwalnianiem energii poniżej 10 000°C, molekuły z momentem dipolowym jak HeH⁺ stawały się idealnymi “chłodziarkami” kosmosu. Co ważne, w zderzeniach z atomami wodoru rozpadały się, tworząc jony prowadzące ostatecznie do powstania wodoru molekularnego. Ten łańcuch reakcji okazuje się znacznie ważniejszy dla pierwotnej chemii niż dotąd sądzono.
Implikacje dla kosmologii
Badania opublikowane w periodyku Astronomy & Astrophysics sugerują, że wodorek helu był aktywnym uczestnikiem, a nie biernym obserwatorem procesów gwiazdotwórczych. To każe na nowo przemyśleć chemię helu w młodych galaktykach. Może też wpłynąć na interpretację danych z 2019 roku, kiedy po raz pierwszy zaobserwowano tę molekułę w mgławicach planetarnych.
Choć odkrycie niemieckiego zespołu rzuca nowe światło na początki kosmosu, warto zachować naukowy sceptycyzm. Rewizja modeli teoretycznych dopiero się zaczyna, a pełne zrozumienie implikacji wymaga dalszych badań. Niemniej już teraz widać, że pierwsza molekuła wszechświata kryła więcej tajemnic niż się spodziewano. To niezwykłe, jak prosta cząsteczka dwóch pierwiastków wciąż potrafi zaskoczyć naukowców i zmienić nasze spojrzenie na narodziny gwiazd.