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物理學家在海德堡馬克斯普朗克核物理研究所首次報告了在低溫儲存環CSR中，電子與氦氫化物離子反應的實驗室測量結果。在低於6k的溫度下，破壞分子的反應速率比之前在室溫下的測量值要低得多。這就轉化為這種原始分子在早期宇宙中作為第一顆恆星和星系形成的冷卻劑，同時也有很高的豐富性。宇宙大爆炸後僅僅三分鐘，宇宙的化學成分就確定下來了：75%的氫，25%的氦，以及微量的鋰，這些都是由原始核合成產生的。
然而，在這個宇宙早期狀態，所有物質都被完全電離了，包括自由的裸核和熱電子氣體，宇宙背景輻射「霧蒙蒙的」等離子體。大約40萬年後，膨脹的宇宙冷卻到電子和原子核開始結合成中性原子的水平。宇宙開始變得透明，但還沒有恆星誕生；因此這個時代被稱為「黑暗時代」。隨著溫度進一步下降，中性氦與仍然豐富的自由質子的碰撞形成了第一個分子 - 氫化氦離子（HeH），這標誌著化學的曙光。
氫離子和其他早期分子在通過紅外輻射冷卻原始氣體雲方面發揮了重要作用，這是恆星形成的必要步驟。對後者過程的理解和建模需要對相關分子豐度和反應速率有詳細的了解。然而，迄今為止的信息相當有限，特別是在黑暗時代晚期的低溫狀態(< 100k)中，大約在大爆炸後3億年，也就是第一顆恆星形成的時候。HeH目前已通過檢測其遠紅外發射在銀河系中被發現。HeH的豐富性是由破壞性反應決定，在低溫下，這主要是所謂的游離重組(DR)與自由電子：一旦被電子捕獲中和，氫化氦分解成氦和氫原子。
以往反應速率數據表中的結果是：基於室溫下的實驗室實驗得出。在這些條件下，分子處於高度興奮的旋轉狀態，這被懷疑影響了電子捕獲過程。為了深入了解低溫行為，海德堡馬克斯普朗克核物理研究所（MPIK）的物理學家研究了HeH與研究所低溫儲存環CSR中的電子碰撞。這個獨特設備是為實驗室天體物理學設計而建造的，在類似空間的條件下，考慮到溫度和密度。CSR提供了一個環境溫度低於10 K和極好的真空(觀察到< 10mbar)。
研究人員使用一個電子靶來研究這種重組，其中存儲的離子束浸入一個共傳播的電子束中，距離約為一米。相對速度可以調到零，從而獲得非常低的碰撞能量。電子-離子相互作用區的反應產物在下遊被檢測到，從而提供了絕對的反應速率。在CSR內部溫度為6 K時，科學家們觀察到存儲的HeH +離子在幾十秒內冷卻到旋轉基態。在這個輻射冷卻過程中，研究人員跟蹤了單個旋轉態的總體，並提取了狀態選擇DR概率。
該實驗的首席研究員OldichNovotn說：我們發現HeH最低旋轉水平的電子重組率，比目前數據表中給出的值低80倍。這一顯著下降主要是由於實驗室測量的溫度較低。在第一顆恆星和星系形成時期，這種原始分子的豐度大大增加。這個新結果，現在提供了前所未有的細節，對理解反應本身以及對早期宇宙的建模都有很大意義。對於碰撞理論，HeH仍然是一個具有挑戰性的系統。
在這裡，度量有助於對理論代碼進行基準測試。實驗的DR反應速率，現在可以用於各種電子能量和旋轉狀態，可以轉化為原始氣體化學模型計算中使用的環境特性。這項研究和未來使用CSR的前瞻性研究提供了廣泛適用數據。考慮到詹姆斯·韋伯太空望遠鏡即將發射，實驗室天體物理學的新功能尤其及時，因為韋伯太空望遠鏡對大爆炸後第一批發光物體和星系的研究，將從對早期宇宙化學的可靠預測中受益匪淺。
博科園｜研究/來自：Informationsdienst Wissenschaft參考期刊《科學》DOI: 10.1126/science.aax5921博科園｜科學、科技、科研、科普