宇宙中最強的酸!大爆炸後的第一個化學反應產物

2020-12-05 博科園
博科園：本文為化學類

在宇宙初期，化學是怎樣誕生的？數十年前，就有科學家提出，氦合氫離子（HeH+）是宇宙中的第一個化學反應產物，但科學家一直無法證實該物質存在於宇宙環境中。科學家從行星狀星雲NGC 7027中探測到HeH+，這是人們首次在宇宙中探測到這種離子。從古至今，總有一些基本問題隱藏了很深的科學道理，比如先有蛋白質還是先有核酸（遺傳物質）？要回答這個問題，必須要用演化論的眼光，追溯到生命起源的最初時刻。

當然，打開元素周期表，類似的問題還有很多，比如恆星給我們造就了鐵，超新星給我們造就了金。那麼一直朝宇宙早期追溯，一個類似的問題就浮現出來：「先有氫還是先有氦？」在元素周期表中，第1號元素氫以及第2號元素氦的地位非常特別。在任何單位，1號與2號都是激烈的競爭者。

先有氫還是先有氦？

這個問題還真是蠻重要的。當然了，這個問題的答案還得分成兩部分來說。對於氫原子核與氦原子核來說，在宇宙大爆炸早期，存在一個「原初核合成」階段。在這個階段，首先產生氫原子核，然後再有氦原子核。

氫原子核其實就是質子，質子的質量1.6726231 × 10-27 kg，如果用愛因斯坦的質能方程E=MC2來換算，質子的質量是938百萬電子伏特，而每一個電子伏特大概相當於1萬攝氏度。因此，只要宇宙的溫度降低到9 380 000百萬攝氏度的時候，質子就會在宇宙中產生。通過與宇宙大爆炸一開始的普朗克能標做比對，根據宇宙早期輻射為主的特點，可以計算出氫核（質子）是在宇宙大爆炸後1秒鐘的時候就形成了。

行星狀星雲NGC 7027與氦合氫離子結構圖。圖片：NASA/SOFIA/L. Proudfit/D.Rutter而氦原子核是在宇宙大爆炸後3分鐘才開始形成的。所以，氫原子核的出現要早於氦原子核。而我們知道，元素的地位是由原子核的地位決定的，所以在這個意義上，氫先於氦出現。當然，事情並沒有那麼簡單——化學家不這樣看。因為對化學家來說，原子更重要，光看原子核是不行的。對於氫原子與氦原子來說，它們不但有原子核，還需要結合電子才可以形成原子。出人意料的是，在宇宙大爆炸的早期，氦原子的形成要早於氫原子的形成。

對於宇宙早期發生的天文現象，天文學家觀測到的是光譜線。而宇宙是在膨脹的，所以越是宇宙早期的天文現象，其相對應的光譜波長越容易被宇宙膨脹所拉長，產生所謂的「紅移」現象。所以知道了「紅移」，也就知道了宇宙學意義上的「時間」，宇宙學家經常用紅移來標記時間。比如宇宙誕生後38萬年，光子開始變得自由，最後形成今天看到的宇宙微波背景輻射。宇宙誕生後38萬年，按照宇宙學家的說法，也就是紅移1100的時候。

香港科技大學物理系的王一老師在接受《環球科學》採訪時表示：「中性的氦原子是在紅移約2000的時候出現的，而中性的氫原子在紅移1100的時候出現。」中性氫原子出現的時間，也就是宇宙微波背景輻射出現的時間——那時候就是宇宙38萬歲的時候，也就是紅移1100的時候。紅移的數值越大，表示距離現在的時間越久遠，也意味著這個原子出現的時間越古老。氦原子光譜的紅移比氫原子更大，氦原子才是宇宙中第一個出現的原子。

當然，我們也可以用量子力學來解釋為什麼氦原子會比氫原子更早在大爆炸核合成過程中出現：氦離子He2+和He+具有比H+更高的電離勢，所以它們可以率先與自由電子結合，形成第一個中性原子。以上就是整個事情的兩個側面

HeH+是宇宙中第一個分子？

我們有了氫與氦，這相當於宇宙中的物質有了基礎材料，後面的故事就更多了。這些材料間的第一次化學反應是怎樣進行的，它的產物是什麼？20世紀70年代，就有天文學家提出，中性氦原子與質子結合形成氦合氫離子（HeH+），這正是宇宙化學反應的開端。HeH+看起來很簡單，它就是一個氦原子結合一個質子形成的。這叫做分子離子——因為它看起來像分子，但其實是一個離子。但科學家認為HeH+比氫分子更早在宇宙中出現，所以在理論上它是宇宙中第一個分子離子。

早在1925年，化學家霍格內斯（T. R. Hogness）與倫恩（E. G. Lunn）在就地球實驗室中合成出這種分子離子。但在宇宙中，科學家始終沒有發現HeH+的蹤跡。近100年過去了，到了2019年4月17日，科學家終於取得了突破：美國航空航天局（NASA）與德國航空航天中心的聯合項目——同溫層紅外觀測臺（SOFIA）的高解析度GREAT分光儀，檢測到HeH+發射的紅外線。這一結果發表在《自然》雜誌上。HeH+在宇宙中被找到了！

能證明HeH+來自宇宙早期嗎？

本次對HeH+的天文發現是由德國馬克斯·普朗克射電所的拉爾夫·古斯滕（rolf Güsten）等人完成的。他們依靠的是同溫層紅外觀測臺（SOFIA）的高解析度GREAT分光儀。

同溫層紅外觀測臺（圖片：NASA photo / Jim Ross）這些分光儀的數據是在2016年5月同溫層紅外觀測臺（SOFIA）在飛機上飛行3次後得到的。通過這些數據可以分析出NGC 7027星雲中存在HeH+。不過，這次探測到的氦合氫離子雖然是在宇宙中，但一定不是在宇宙極早期形成的。為什麼會這樣呢？因為本次探測到HeH+的NGC 7027星雲中距離我們地球只有3000光年，這在宇宙學意義上來說是一個很近的距離。

而且本次觀測到的HeH+的譜線紅移等於零，所以它絕不是來自於宇宙早期。前面已經說到，如果是宇宙早期出現的HeH+，那麼其紅移應該介於1100（氫原子出現）與2000（氦原子出現）之間，接近於宇宙微波背景輻射的紅移。拉爾夫·古斯滕在論文中提到的NGC 7027是一個年輕的星雲，他們認為其條件類似於早期宇宙的物理條件，因此這在一定程度上也可以證明早期宇宙中也有HeH+存在——不過這理由看起來似乎有點勉強了。如果想要證明早期宇宙中確實存在HeH+，那麼必須要探測到高紅移的HeH+譜線。所以，HeH+雖然在宇宙中被找到了，但要說它是宇宙中第一個分子，還需要證明它真的很老——需要找到HeH+的高紅移譜線才行。

宇宙中最強的酸

既然在宇宙中已經找到了HeH+，那麼它到底是一種什麼樣的物質呢？化學家猜測，它可能是宇宙中最強的酸。HeH+是由氦原子和質子構成，而在這個結構中質子是完全裸露的，這使HeH+能夠結合任何與它碰撞的物質分子中的電子——這就表現出極大的酸性。儘管目前還不能確認HeH+是不是宇宙中的產生的第一個分子，但這次發現仍然是一個積極信號，這說明HeH+確實可以在星際空間中存在。而HeH+是形成氫分子的祖宗，它也為在星際空間中尋找中性氫提供了一個有價值的線索。無論怎麼樣，這都是科學的勝利。

博科園-科學科普｜撰文: 張華轉自: 環球科學/huanqiukexue博科園-傳遞宇宙科學之美

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