本文来自微信民众号：我是科学家iScientist（ID：IamaScientist），作者：鞠强，编纂：Yuki，头图来自：UNsplash

若是有人问道：宇宙中发作的第一个化学反应的产品是甚么？

置信就算是学过多年化学的人，大多都邑霎时一脸懵：这个题目有点难啊？化学先生彷佛没教过啊？

答不上来没紧要。

实在，这不赖化学先生，长期以来，连科学家们都不晓得这个产品终究藏在宇宙中的甚么地方。

但毕竟挂着“第一”的名号，这个产品尤为重要，因而，天文学家们花了几十年的时刻，在茫茫宇宙中废寝忘食地寻觅着它的身影，直到近来，他们终究如愿以偿！

2019年4月17日，一个研讨小组在《天然》（Nature）上宣告论文宣告，他们在行星状星云NGC 7027中探测到氦合氢离子（HeH⁺）[1]。这是人们第一次在古代宇宙中探测到这类离子，而它，就是名不虚传的宇宙中第一个化学反应的产品。

行星状星云NGC 7027和HeH⁺的示意图，个中红球代表氦，蓝球代表氢。泉源：参考资料[2]

HeH⁺是怎样降生的？

在诠释科学家究竟干了甚么之前，我们轻微花点时刻，回到宇宙的初期，来看看宇宙中第一个化学反应终究是怎样回事儿。

大概是宇宙大爆炸后38万年的时刻，阅历高温致密状态后的宇宙，伴随着膨胀最先降温，此时温度已降低到4000开尔文（K）以下。这时候，在大爆炸核分解时代发生的轻元素（谁人时刻只要氢、氦和少少的锂）的离子最先从新连系。氦离子（He²⁺和He⁺）起首与自由电子连系，组成宇宙中最早的中性原子。氢元素的从新连系也在随后发作。

虽然化学教材通知我们，氦是惰性气体，在本日地球上常温常压的前提下很难发作化学反应。然则，在宇宙初期阶段高温致密的状态里，状态却完整分歧，中性氦原子会与质子连系组成氦合氢离子——这就发作了宇宙中的第一个化学反应，产品中包含了宇宙中最早的化学键。

化学反应的历程，个中hν是光子的能量。图片泉源：参考资料[1]

 

HeH⁺的构造示意图，左边为质子，右边为氦原子，中心是化学键。图片泉源：Wikimedia Commons

化学的拂晓就这样来了。

氦合氢离子随后会与氢原子发作相互作用，组成氢份子。氢份子是组成末了的恒星的基本。恒星又像“元素工场”一样，制作了组成本日宇宙的一切元素。这些元素的巧妙组合接着作育了性命，我们才有时机在这里议论这个题目。

见证性命的抽芽。图片泉源：Pixabay

HeH⁺也许就在那儿，但是我们看不到

只管在初期宇宙的演变历程当中，氦合氢离子发挥着非常重要的作用，天文学家却一直没有在星际空间中探测到它的存在，因而也没法证实化学降生历程当中这至关重要的第一步。

形成这一状态的原因是他们运用的太空千里镜没办法把氦合氢离子的旌旗灯号从其他份子发出的混淆旌旗灯号中辨认出来。

正如这篇论文的通信作者、德国马克斯·普朗克射电天文研讨所的罗尔夫·居斯腾（Rolf Güsten）所说：“数十年来，在星际空间中找不到这类离子存在的证据将天文学置于进退维谷的境地中。”[2]

早在1925年，化学家已在实验室中分解了这类离子。然则直到20世纪70年代后期，天文学家才最先议论在天体状态中存在这类离子的可能性，并把行星状星云作为寻觅这类离子的候选地区。

行星状星云是由类似于太阳的恒星在演变末期赓续向外抛射的物资组成。这类星云赓续膨胀，末了抛出的气体和灰尘弥散于星际空间中，仅留下中心的高温恒星。天文学家以为，行星状星云的物理前提与初期宇宙类似，很有可能会发生这类离子，并且密度足以被探测到。

行星状星云NGC 7027。图片泉源：Wikimedia Commons

实在，天文学家在一最先就对准了此次发明HeH⁺的行星状星云NGC 7027。这个星云间隔地球3000光年，位于天鹅座左近。然则事先的观察并没有取得肯定的效果，随后的研讨虽然表示HeH⁺的存在，也依旧没有完成直接探测。

给出谜底的，是“飞机上的天文台”

从2016年最先，天文学家实验借助于同温层红外线天文台（Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy，SOFIA）举行探测。这是一个由美国国度航空航天局（NASA）和德国航空航天中心（German Aerospace Center，DLR）团结提议的空基天文台，现实是把观察装备搭载在一家波音747SP宽体客机上。

你没看错，这就是遨游飞翔中的同温层红外线天文台。图片泉源：Wikimedia Commons

SOFIA于2010年投入运用。飞机在间隔地面14000米以上的高度遨游飞翔，能够制止地球大气层的许多滋扰。并且比拟于太空千里镜，SOFIA的一个显着的上风是在每次遨游飞翔后，天文学家都能够及时对探测设计举行调解并装置最新的装备。

SOFIA科学中心主任哈罗德·约克（Harold York）这么评价SOFIA的作用：“氦合氢离子就隐蔽在那儿，然则我们须要准确的装备在准确的地位举行观察能力发明它，而SOFIA能够圆满地做到这一点。”[2]

此次资助天文学家发明氦合氢离子的装备，就是在近来的一次装备晋级中加装的德国太赫兹频次接收器（German Receiver at Terahertz Frequencies，GREAT）。这台仪器有点像我们听播送运用的收音机，天文学家将它调频到愿望寻觅的这类离子的发射频次上，就像我们把收音机调台到想听的谁人频道上一样。

SOFIA在夜晚举行观察的时刻，飞机上的科学家能够及时从装备上读取数据。2016年5月，SOFIA在3次遨游飞翔中举行了观察。居斯腾指导的研讨小组对观察取得的数据举行了剖析，氦合氢离子的旌旗灯号就这样被终究发明。

初次发明氦合氢离子令居斯腾和许多天文学家觉得冲动，一场久长的征采终究有了一个圆满的终局。

在大爆炸理论的基本上，我们组成了对初期宇宙化学的明白，同时推断出它怎样经由上百亿年的时刻演变成本日宇宙中的庞杂的化学。第一个化学反应的涌现无疑是个中一个症结的局部。

氦合氢离子的发明打消了我们曾有的挂念，使得我们能够继承信托已有的理论，并且指引我们去发明宇宙更深条理的隐秘。

我们都是散落的星骸。如今我们确实地晓得，这个故事该从何说起。

参考资料：

[1]Rolf Güsten et al, Nature , volume 568, 357–359 (2019)

[2]https://www.nasa.gov/feature/the-universe-s-first-type-of-molecule-is-found-at-last

*文章为作者自力看法，不代表虎嗅网态度

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