Το πρώτο μόριο που σχηματίστηκε στο σύμπαν

 … και οι πρώτες χημικές αντιδράσεις του

Το πρώτο μόριο που σχηματίστηκε στο αρχέγονο σύμπαν ήταν το υδρίδιο του ηλίου HeH⁺(Στην εικόνα βλέπουμε το φάσμα από την πρώτη αστροφυσική ανίχνευση του ιόντος υδριδίου του ηλίου στο πλανητικό νεφέλωμα NGC 7027)

Αν πάμε πίσω στο χρόνο, στα πρώτα δευτερόλεπτα μετά την Μεγάλη Έκρηξη, το μόνο που υπήρχε ήταν πρωτόνια, ηλεκτρόνια, πρωτόνια, φωτόνια και άλλα σωματίδια. Αυτό το νεαρό και θερμό σύμπαν καθώς ψυχόταν διαστελλόμενο, απέκτησε την κατάλληλη πυκνότητα και θερμοκρασία (10⁹K) ώστε να πραγματοποιούνται πυρηνικές αντιδράσεις μεταξύ πρωτονίων και νετρονίων. Στο χρονικό διάστημα, από τα πρώτα δευτερόλεπτα μέχρι τα 20 πρώτα λεπτά της ζωής του σύμπαντος, διαμέσου διαδοχικών πυρηνικών αντιδράσεων σχηματίστηκαν οι πρώτοι πυρήνες. Στο τέλος αυτής της διαδικασίας που ονομάζεται αρχέγονη πυρηνοσύνθεση, το σύμπαν περιείχε 92% Υδρογόνο (¹Η), 8% Ήλιο (⁴He) , 0,00000001% Λίθιο ⁷Li και σχετικά ελάχιστες ποσότητες ελαφρών πυρήνων Ηλίου-3( ³He),  Λιθίου-6 (⁶Li), Δευτερίου ( ²Η ), Βηρυλλίου (⁹Βe) και Βορίου (¹⁰Β, ¹¹Β).

Όλα τα παραπάνω στοιχεία αρχικά ήταν πλήρως ιονισμένα, μέχρι που η θερμοκρασία έπεσε αρκετά, ώστε τα ηλεκτρόνια να συνδέονται με τους πυρήνες για να σχηματίσουν ουδέτερα άτομα. Η χημεία του αρχέγονου σύμπαντος – καθώς η διαστολή και ψύξη του συνεχιζόταν -, βασίστηκε στα ιόντα του υδρογόνου και του ηλίου, τα μόνα που υπήρχαν σε σημαντικές ποσότητες.

Δεδομένου ότι η ποσότητα του υδρογόνου ήταν συντριπτικά μεγαλύτερη από την αντίστοιχη του ηλίου, θα περίμενε κανείς τα πρώτα μόρια στο σύμπαν να είναι τα μόρια του υδρογόνου Η₂. Όμως, μεταξύ άλλων, εξαιτίας της υψηλότερης ενέργειας του πρώτου ιονισμού του ηλίου (24,6 eV, αρκετά μεγαλύτερη από την ενέργεια ιονισμού του υδρογόνου 13,6 eV), το ήλιο ήταν το πρώτο στοιχείο που έγινε ουδέτερο και συμμετείχε σε χημικές αντιδράσεις.

Έτσι, το πρώτο μόριο που σχηματίστηκε ήταν το υδρίδιο του ηλίου HeH⁺, διαμέσου της αντίδρασης H⁺ + He → HeH⁺ + φωτόνιο, και στη συνέχεια σχηματίστηκαν άλλα μικρά μοριακά ιόντα και ουδέτερα μόρια, μεταξύ των οποίων και το H₂⁺, H₂ , H₃⁺, LiH, LiH⁺ και παραλλαγές αυτών με δευτέριο.

Στην εργασία με τίτλο «Experimental confirmation of barrierless reactions between HeH⁺ and deuterium atoms suggests a lower abundance of the first molecules at very high redshifts» οι ερευνητές F. Grussie et al, βρήκαν νέα στοιχεία σχετικά με τις χημικές αντιδράσεις μορίου που σχηματίστηκε πρώτο στο σύμπαν.

Το ενεργειακό διάγραμμα της αντίδρασης του υδριδίου του ηλίου με δευτέριο. Στο υπόβαθρο βλέπουμε το πλανητικό νεφέλωμα NGC 7027, όπου το μοριακό υδρογόνο φαίνεται με κόκκινο χρώμα.

Όπως είδαμε, το αρχαιότερο μόριο του σύμπαντος, το ιόν υδριδίου του ηλίου (HeH⁺) σχηματίζεται από ένα ουδέτερο άτομο ηλίου και ένα πρωτόνιο. Αυτό σηματοδοτεί την έναρξη μιας αλυσιδωτής αντίδρασης που οδηγεί στο σχηματισμό μοριακού υδρογόνου (Η₂), το οποίο είναι μακράν το πιο κοινό μόριο στο σύμπαν.

Κατά τη διάρκεια της πρώιμης φάσης του σύμπαντος, απλά μόρια όπως το HeH⁺ και το H₂ ήταν απαραίτητα για τον σχηματισμό των πρώτων άστρων. Για να καταρρεύσει το συστελλόμενο νέφος αερίου ενός πρωταστέρα σε σημείο που να μπορεί να ξεκινήσει η πυρηνική σύντηξη, πρέπει να διαχυθεί θερμότητα. Αυτό συμβαίνει μέσω συγκρούσεων που διεγείρουν άτομα και μόρια, τα οποία στη συνέχεια εκπέμπουν αυτήν την ενέργεια με τη μορφή φωτονίων. Ωστόσο, κάτω από περίπου 10.000 Κ, αυτή η διαδικασία καθίσταται αναποτελεσματική για τα κυρίαρχα άτομα υδρογόνου. Περαιτέρω ψύξη μπορεί να πραγματοποιηθεί μόνο μέσω μορίων που μπορούν να εκπέμπουν πρόσθετη ενέργεια μέσω περιστροφής και δόνησης. Λόγω της έντονης διπολικής ροπής του, το ιόν HeH⁺ είναι ιδιαίτερα αποτελεσματικό σε αυτές τις χαμηλές θερμοκρασίες και θεωρείται ένας δυνητικά σημαντικός υποψήφιος για ψύξη κατά τον σχηματισμό των πρώτων άστρων. Κατά συνέπεια, η συγκέντρωση ιόντων υδριδίου του ηλίου στο σύμπαν μπορεί να επηρεάσει σημαντικά την αποτελεσματικότητα σχηματισμού των πρώτων άστρων.

Κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου, οι συγκρούσεις με ελεύθερα άτομα υδρογόνου ήταν μια σημαντική οδός αποικοδόμησης του HeH⁺, σχηματίζοντας ένα ουδέτερο άτομο ηλίου και ένα ιόν H₂⁺. Το H₂⁺ συνέχεια αντέδρασε με ένα άλλο άτομο H για να σχηματιστεί ένα ουδέτερο μόριο H₂ και ένα πρωτόνιο. Έτσι προέκυψε ο αρχέγονος σχηματισμός του μοριακού υδρογόνου.

Οι ερευνητές F. Grussie et al αναδημιούργησαν με επιτυχία για πρώτη φορά αυτήν την αντίδραση υπό συνθήκες παρόμοιες με εκείνες στο πρώιμο σύμπαν. Διερεύνησαν την αντίδραση του HeH⁺ με το δευτέριο, το ισότοπο υδρογόνου που περιέχει ένα επιπλέον νετρόνιο στον ατομικό του πυρήνα μαζί με ένα πρωτόνιο. Όταν το HeH⁺ αντιδρά με το δευτέριο, σχηματίζεται ένα ιόν HD⁺ αντί για H₂⁺, παράλληλα με το ουδέτερο άτομο ηλίου. Το πείραμα πραγματοποιήθηκε στον Κρυογονικό Δακτύλιο Αποθήκευσης (CSR) στο στη Χαϊδελβέργη – ένα παγκοσμίως μοναδικό όργανο για την διερεύνηση μοριακών και ατομικών αντιδράσεων υπό συνθήκες που μοιάζουν με αυτές του διαστήματος.

Διαπιστώθηκε ότι, σε αντίθεση με προηγούμενες προβλέψεις, ο ρυθμός με τον οποίο προχωρά αυτή η αντίδραση δεν επιβραδύνεται με τη μείωση της θερμοκρασίας, αλλά παραμένει σχεδόν σταθερός. Προηγούμενες θεωρίες προέβλεπαν σημαντική μείωση στην πιθανότητα αντίδρασης σε χαμηλές θερμοκρασίες, κάτι που δεν επαληθεύεται ούτε στο πείραμα ούτε στους νέους θεωρητικούς υπολογισμούς. Έτσι, φαίνεται πως οι αντιδράσεις του HeH⁺ με ουδέτερο υδρογόνο και δευτέριο ήταν πολύ πιο σημαντικές για τη χημεία στο αρχέγονο σύμπαν, σε σχέση με ότι νομίζαμε παλαιότερα.

Δεδομένου ότι οι συγκεντρώσεις μορίων όπως το HeH⁺ και το μοριακό υδρογόνο (Η₂) έπαιξαν σημαντικό ρόλο στο σχηματισμό των πρώτων άστρων, αυτό το αποτέλεσμα μας φέρνει πιο κοντά στην επίλυση των μυστηρίων που καλύπτουν τον σχηματισμό τους.

Πηγές: https://www.mpi-hd.mpg.de/mpi/en/public-relations/news/news-item/chemistry-at-the-beginning - physicsgg.me