绘图:Alison Mackey and William Zubak

下面这个问题或许能难倒你朋友圈中最懂科学的朋友:宇宙中最强的酸是什么?提示,这种酸甚至活跃到无法通过pH值来衡量其酸性。再试试这个问题:比水分子和氢分子更早出现,宇宙中第一个化学反应的产物是什么?

这两个问题的答案是同一种物质——氦合氢离子(HeH+)。布鲁塞尔自由大学的Jerome Loreau称它是“神秘的分子”(更确切地说,是“神秘的离子”,因为它带有一个正电荷)。化学老师大概教过你,稀有气体氦不会和任何物质反应。但事实证明,至少在某些条件下,老师说的完全不对。氦合氢离子很难获得,尽管它的诞生标记了宇宙演化的重要转折点,却不曾被大多数天文学家耳闻。它是化学诞生的第一步,也是恒星、行星与生命诞生的起点。

这让我想到了关于氦合氢离子最神秘的一点。“我们观察不到它,”Loreau小心翼翼地说道,“在某种意义上,它们在宇宙中是隐形的。”

不仅仅是HeH+,其他宇宙中的第一代分子都是研究者看不到的。这些失落的碎片组成了宇宙历史中一度被抹去的篇章。那是一个重要的时期,它有一个恰如其分的名字:“黑暗时代”(the Dark Ages)。

黑暗中的反应器

大爆炸后,在极其短暂的时间内,宇宙中充满了极为致密的高温物质和高能辐射。宇宙快速膨胀,同时温度不断降低。38万年后,当宇宙温度降到4000K,质子和电子能够结合成为氢原子。和此前浑浊的“粒子汤”不同,氢原子内部有大量的空隙,可以让辐射在黑暗的宇宙中开始相对自由地穿行。

这些辐射的遗迹现在仍能轻易观测到,这就是无处不在的宇宙微波背景辐射(CMB)。另一方面,物质开始变得不可见。直到几亿年后,宇宙的景象才再次被天文学家观测到。这时的宇宙中,已经出现大量成熟的原始星系。

中间的几亿年里发生了什么?没错,那是一段“黑暗时代”。

尽管我们无法直接看见“黑暗时代”,却能从种种蛛丝马迹中推测那时的宇宙。大爆炸理论精确地描述了宇宙初期的元素构成:氢、氦、氘(重氢)以及痕量的锂。这就是远古宇宙的全部。至于当时发生了什么?当宇宙冷却到能够形成氢原子时,这些元素也开始相互作用并键结成为分子。我们可以认为,就在宇宙进入“黑暗时代”的那一刻,化学诞生了。

 氦合氢离子的结构

氦合氢离子的结构

“最初的化学反应非常简单,宇宙就是一个极其干净的化学实验室。”佐治亚大学的 Phillip Stancil说道。他和Loreau一样以HeH+为研究对象,但也着眼于更多早期宇宙中不断变化的化合物组成上。

Phillip要解决的问题是,我们如何确定HeH+是宇宙中第一个原子组合。HeH+由氦原子和质子构成,这个结构中的裸露质子,使HeH+成为非常强的酸,能够结合任何与它碰撞的物质。一旦HeH+形成,就会触发第一个氢分子的形成;很快会出现其他的原子组合,比如LiHe和H3+,这两种微粒都非常不稳定,因此不能在自然界中存在。

看见恒星

在黑暗中,化学的诞生正引发一场变革。

原子态的氢有一个独特的性质:如果你令一片由大量氢原子构成的星云坍缩,它会变得越来越热,直到原子热运动足以平衡坍缩的趋势。最终你得到了一片较小的,没有什么结构可言的星云。一个仅仅由氢原子组成的宇宙是何其单调无味。

但氦合氢离子的出现带来了有趣的变化。紧接着第一个氢分子产生,现代宇宙的组成得以在此基础上发展起来。Satncil解释说:“对分子来说有新的机制能在坍缩期间释放能量。”分子向外辐射能量,因此星云能进一步冷却并继续坍缩。尽管氢分子不是最佳的“冷却剂”,但足够让百万倍太阳质量的星云自发完成引力坍缩。这些星云后来演变成为最初的恒星。数十万年甚至百万年后,黑暗逐渐被照亮。

静待升空的詹姆斯·韦伯空间望远镜或许能找到宇宙中最早的分子。

静待升空的詹姆斯·韦伯空间望远镜或许能找到宇宙中最早的分子。

第一代恒星个头过大,极不稳定。它们通过内部的核反应迅速形成更重的元素,然后以剧烈的超新星爆炸结束短暂的一生。在爆炸过程中,碳、氧和硅元素散播至周围的星云,并将宇宙的化学引入第二个阶段。两种新化合物——水和一氧化碳出现,它们大幅提高星云冷却的效率,催生出数量庞大的更小的恒星。飘散的星尘颗粒组成了星体的固态表面,催生了更复杂的化学过程。最终,氢和氦的组合退出了历史舞台,让位于宇宙中的璀璨星系。

在出现第一束光的时代,还存在一些更令人注目的事情。哈佛大学的Avi Loeb指出,这时宇宙整体温度为大约300K(约27摄氏度),这意味着整个宇宙都处于适合生物生存的环境。

同时,那些爆炸的恒星都在释放碳、氧、氮、磷等构成生命的基本元素。Loeb将每颗爆炸的恒星形容成一个孵化母体,它在周围释放一连串包含重要元素的“气泡”。他很好奇,“黑暗时代”的结束是否也是宇宙中生命的开端。

智力的射电望远镜阵列ALMA

智力的射电望远镜阵列ALMA

短暂的人类寿命看不尽漫长宇宙史的一瞬。幸运的是,一些经历了“黑暗时代”的原始化合物保留了下来。相关化学计算表明,我们应该能在遥远星系和超新星周围的星云中找到HeH+,甚至在行星状星云中也有可能。(行星状星云是恒星演化至红巨星末期,气体壳层向外膨胀并被电离后形成的发射星云)。但是至今,寻找HeH+的努力还没有得到回报。

“还没有观察到,但并不意味它不在那里,”Stancil说,“它或许刚好低于检测极限。”他例证说,天文学家直到20世纪90年代才发现重要的分子H3+,“因为我们确实不知道应该看向哪里。”

至于HeH+,Stancil寄希望于两个新设备:智利的射电望远镜阵列ALMA和哈勃望远镜的接任者——尚未发射的詹姆斯·韦伯空间望远镜。它们的灵敏度虽不足以观测到第一代恒星,但是通过这些恒星形成的星团光亮,或许能够看到被照亮的宇宙早期分子。

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