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早期宇宙理论没有出差错,科学家终于发现大爆炸后形成的第一个分子

2024-11-02 206

天体化学界重磅消息,天文学家历经近半世纪“肉搜”,终于找到了自大爆炸后第一个形成的关键分子氢化氦,数十多年来的担忧、质疑在这一刻明朗,留下幸福结局。

我们的宇宙起源于 138 亿年前的大爆炸,由一个密度极大、温度极高的太初状态演变而来,而太初核合成(BBN)产生了宇宙的轻元素(氢、氦、氘和少量锂)。

根据模型,大爆炸之后 10 万年,年轻宇宙温度逐渐冷却到 4,000℃,轻元素氦首先与自由电子结合形成第一个中性原子,并与氢(此时氢仍然被电离,以裸质子形式存在)结合形成氢化氦(helium hydride)带电分子,这是宇宙出现的第一个化合物,如果这些原子最初没有结合成最简单的分子,今天就不会有我们这些复杂生命体的存在。

那么作为第一个化合物,照理说整个宇宙应该都有它存在的痕迹,但事实是,自1970 年代起,天文学家就一直在苦寻行星状星云(来自垂死恒星)中的氢化氦分子,然全部宣告铩羽而归。

于是大家开始不安的想,难道理论出错了吗?早期宇宙的化学作用和目前认知有所出入吗?其实太空中并不存在这种分子吗?

OK,放心,没有错,天文学家们历经数十年煎熬,如今终于找到了!由德国马克斯·普朗克电波天文研究所 Rolf Güsten 领导的团队,从距离我们 3,000 光年远的行星状星云 NGC 7027 中,首次找到氢化氦分子,这将帮助天文学家模拟出早期宇宙的样貌。

氢化氦分子在 0.149mm 波长下发射最强谱线,不幸的是这个波长非常容易被地球大气吸收,以至于地面望远镜在寻找氢化氦分子的路上几乎一无所获,我们只能从高空或外太空搜寻。

意外也不意外,此次立功的望远镜就安装在“同温层红外线天文台(Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy,SOFIA)”上,顾名思义,这个天文台不设于地面、也不在外太空,而是飞在大气同温层(平流层)中,由一架波音 747 喷射客机改装而成,见下图(为天文学家的创意甘拜下风)。

▲ 同温层红外线天文台于 2007 年首次试飞,现由 NASA 阿姆斯特朗飞行研究中心维护操作。(Source:NASA)

同温层红外线天文台平常飞行高度约位于 45,000 英尺(约 13,700 米),有任务时就起飞,飞完后回到地面缴交观测数据,并让科学家定期更新仪器,这次协助望远镜(直径 2.7 米)发现氢化氦分子的仪器,就是科学家于 2011 年新安装的远红外光谱仪 GREAT(German Receiver at Terahertz Frequencies)。

现在,天文学家可以大声的说,我们真的从行星状星云 NGC 7027 中看到氢化氦分子的诞生,而不是只能自行从实验室模拟,同时这也代表我们对原始宇宙的理论和模型无急迫修正必要。真是个美丽的结局。新论文发表在《自然》(Nature)期刊。

  • A Modified 747 Helped Spot Evidence of the Universe’s First Atomic Bond
  • The first type of molecule to form in the universe has been seen in space
  • Universe’s First Molecule Detected in Space for the First Time Ever
  • Astronomers Find Oldest Type of Molecule in Space
  • First astrophysical detection of the helium hydride ion

(首图来源:NASA)

2019-04-20 17:31:00

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