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宇宙中第一個分子的前世今生
來源：化學加編輯部 陳十五 2020-05-22
導讀：當你仰望星空的時候，是否好奇宇宙是如何從虛無混沌演化成如今的炫目璀璨？宇宙中的第一個原子是什么？什么樣的環境里才能誕生宇宙中的第一個原子？原子間的第一個化學反應是什么？宇宙中第一個分子又是如何誕生？
在遙遠的太空中，那里的溫度和壓力與地球上的有很大的不同。因此，其中許多化學物質與我們所熟悉的化學物質不同，上述的問題的答案是難以預測甚至有些是無法知曉的。2019年，科學家最終發現了一個長期被預測的分子：氫化氦（HeH+），這項突破正在改變我們對太空化學的理解。眾所周知，宇宙中的第一個“原子”根本不是現代科學所定義的原子，它們僅僅是尚未找到電子的原子核。當宇宙爆炸發生時，宇宙中能量激增，所有的物質都粉碎成微粒。在該過程中，質子和中子經常發生碰撞，其中一部分會形成較大的核，例如氘核和具有兩個質子和兩個中子的氦核。質子和中子的各種其他排列也已形成，在早期的宇宙中所有原子核團簇基本上只是氫、氦和痕量鋰（圖1）。在這三個原子核中，氦原子是第一個形成了真實原子。我們都知道原子不僅是原子核，還必須擁有電子。那么為什么氦原子核是第一個聚集大量電子的微粒，而非氫或鋰原子核呢?我們都知道氦氣是元素周期表中的第一個“稀有氣體”，也是第一個擁有足夠的電子以完全填充其所有電子軌道的元素。因此，如果說電子是構成化學的主要成分，那么氦元素則是元素周期表中電子的主要“竊取者”。在現代實驗室中，從氦氣中奪取電子比從任何其他元素中奪取電子需要更多的能量，而且奪取第二個電子所需的能量是奪取第一個電子所需能量的兩倍以上。因此我們可以想象，在早期的宇宙中，一旦氦原子核找到了電子，它們就會在氫原子核開始捕獲電子之前，甚至在鋰原子核收集所有三個所需電子之前，就充滿電子形成了真正原子。 圖1. 氫原子、氘原子、氦原子以及鋰原子的原子結構（圖片來源：Sci. Am.）那時，宇宙中其余物質主要是由孤立的質子組成，這些質子由于缺少電子，他們開始放慢腳步，尋找帶有相反電荷的配偶體，以使它們保持電中性。但是由于氦原子核的強大“竊取”電子的能力，氫原子核自身捕獲自由電子較為困難，因此它轉向了已經生成的氦原子（圖2）。盡管它不愿與氦氣原子共享電子，但氦原子一直持續存在于氫核團簇中，頻繁的碰撞最終導致氦原子與質子共享電子。至此，宇宙中誕生了第一根化學鍵。氦和氫組成新化合物被稱為氫化氦（HeH+），被認為是宇宙中第一個持久存在且有一定豐度的化學分子[1]。 圖2. HeH+的軌道模型和球棍模型（圖片來源：Sci. Am.）
氦竟然是宇宙第一個參與化學反應的元素，因為當今的科學理解中，氦是與其他元素成鍵可能性最小的元素，即為最惰性的元素。然而在早期的宇宙中，氦氣是唯一一個可以給出電子的物種。這個推測幾十年來雖然有堅實的理論基礎作為依據，但長期以來一直缺乏實驗觀察的佐證。除實驗室外，HeH+不能在地球上形成，然而天體化學家也一直沒有在太空中發現這一物種。然而，去年天文學家宣布他們首次觀察到這種分子，潛伏在一顆垂死恒星的塵埃中。歷經40年的搜尋后，科學家們終于取得了成功，并且在為早期宇宙如何形成的研究中添加了新的重要內容。到目前為止，科學家已經在太空中發現了200多種分子，而HeH+現在也被列入了外星分子的行列。這項對天體化學的研究，旨在闡明太空中存在什么分子，它們如何形成以及它們的演化對觀測和理論天體物理學的重要意義。有一些星際分子在地球上是廣泛存在的，包括已知的水、氨和甲醛。然而其他的星際分子則在地面上是及其罕見的，例如帶有額外質子的鹽酸離子團和過氧化氫失去一個氫原子形成的超氧根離子?？茖W家們還觀察到含有所謂惰性元素的分子，例如ArH+（氬氣和氫的混合物）和最近記錄的HeH+。盡管在多年以后光譜學領域取得了越來越多的突破，但是HeH+分子仍然難以捕捉。這是因為，在宇宙爆炸早期之后，形成的第一個分子將很快消散。隨著宇宙的進一步發展、膨脹和冷卻，剩下的氫原子核開始收集自己的電子。到那時，中性氫原子會感受到HeH+分子上的正電荷，這會誘導原子和分子發生碰撞，相對較弱的He-H鍵斷裂，兩個氫原子之間形成了更強的共價鍵H2+。此后，氦原子基本上則被保留累積下來。按照該機理，宇宙中短暫存在的HeH+是無足輕重的，因為它很快就消失了，但事實并非如此。相關化學反應模型表明，如果不形成HeH+，H2+和H2的誕生將會慢得多。但是，一旦形成了H2，整個化學反應領域就開始迅速增長，最終會生成水、乙醇和更復雜的分子，而這一切起源于HeH+分子。 圖3. 尋找HeH+分子的光譜特征的圖示（圖片來源：Nature）在2013年，天文學家正對無處可尋的HeH+感到沮喪時，研究人員則在蟹狀星云超新星殘骸中發現了相關的稀有氣體分子ArH+，這成為了一個充滿希望的信號。此后，科學家將搜索重點放在了類似的超能量環境中。不過，更大的問題是，HeH+與第一個觀察到的太空分子CH自由基相類似的指紋區域。2016年5月，一個國際團隊使用平流層紅外天文臺(SOFIA)進行了三晚的觀測（圖3），該SOFIA示波器具有辨別HeH+獨特的旋轉頻率指紋所需的分辨率。于是科學家在一個地獄般的地方，充斥著高溫和高能量，如同早期的宇宙那樣的環境里，小心翼翼地分辨出了HeH+的特征指紋。2019年4月17日，由德國波恩的馬克斯·普朗克射電天文學研究所的RolfGüsten領導的團隊在《自然》雜志上發表了一篇報道，預示了HeH+的發現[1]。天體化學著眼于分子的最基本特性，它有助于確定真正的鍵合、分子的保留時間以及為什么某些化學物種比其他化學物種更普遍。通過研究與地球相比環境迥異的太空中的化學分子，我們可以找到挑戰我們固有認知的分子，并使我們對化學有更深入的了解。太空化學的終極目標是希望了解化學是如何形成現有的星系并最終使生命得以實現的。科學家們觀察到了在宇宙中形成的第一個分子，并確定了屬于神秘DIB（Diffuse Interstellar Bands，彌散星際帶）的第一個指紋，其他難題也隨之出現。天體化學家希望解決更棘手的問題，例如“其余的DIB指紋是什么？”，“生命的分子起源是什么？”和“對于形成固體行星而不是氣體巨行星，什么化學物質是必需的？”這一切研究都將從最簡單的電子出發，正是電子的共享在宇宙中產生了可觀測的物質。當我們對這些化學過程有更深入的了解時，我們將對天體物理學和宇宙的整體歷史有更深入的了解。[1] Astrophysical detection of the helium hydride ion HeH+., Nature, 2019, 568, 357–359 原文鏈接：https://www.scientificamerican.com/article/the-first-molecule-in-the-universe/
撰稿人：陳十五
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