宇宙中的第一次化学反应：化学是这样诞生的

绘图：Alison Mackey and William Zubak

　　来源：环球科学ScientificAmerican
　　下面这个问题或许能难倒你朋友圈中最懂科学的朋友：宇宙中最强的酸是什么？提示，这种酸甚至活跃到无法通过pH值来衡量其酸性。再试试这个问题：比水分子和氢分子更早出现，宇宙中第一个化学反应的产物是什么？
　　这两个问题的答案是同一种物质——氦合氢离子（HeH+）。布鲁塞尔自由大学的Jerome Loreau称它是“神秘的分子”（更确切地说，是“神秘的离子”，因为它带有一个正电荷）。化学老师大概教过你，稀有气体氦不会和任何物质反应。但事实证明，至少在某些条件下，老师说的完全不对。氦合氢离子很难获得，尽管它的诞生标记了宇宙演化的重要转折点，却不曾被大多数天文学家耳闻。它是化学诞生的第一步，也是恒星、行星与生命诞生的起点。
　　这让我想到了关于氦合氢离子最神秘的一点。“我们观察不到它，”Loreau小心翼翼地说道，“在某种意义上，它们在宇宙中是隐形的。”
　　不仅仅是HeH+，其他宇宙中的第一代分子都是研究者看不到的。这些失落的碎片组成了宇宙历史中一度被抹去的篇章。那是一个重要的时期，它有一个恰如其分的名字：“黑暗时代”（the Dark Ages）。
　　黑暗中的反应器
　　大爆炸后，在极其短暂的时间内，宇宙中充满了极为致密的高温物质和高能辐射。宇宙快速膨胀，同时温度不断降低。38万年后，当宇宙温度降到4000K，质子和电子能够结合成为氢原子。和此前浑浊的“粒子汤”不同，氢原子内部有大量的空隙，可以让辐射在黑暗的宇宙中开始相对自由地穿行。
　　这些辐射的遗迹现在仍能轻易观测到，这就是无处不在的宇宙微波背景辐射（CMB）。另一方面，物质开始变得不可见。直到几亿年后，宇宙的景象才再次被天文学家观测到。这时的宇宙中，已经出现大量成熟的原始星系。
　　中间的几亿年里发生了什么？没错，那是一段“黑暗时代”。
　　尽管我们无法直接看见“黑暗时代”，却能从种种蛛丝马迹中推测那时的宇宙。大爆炸理论精确地描述了宇宙初期的元素构成：氢、氦、氘（重氢）以及痕量的锂。这就是远古宇宙的全部。至于当时发生了什么？当宇宙冷却到能够形成氢原子时，这些元素也开始相互作用并键结成为分子。我们可以认为，就在宇宙进入“黑暗时代”的那一刻，化学诞生了。

氦合氢离子的结构

　　“最初的化学反应非常简单，宇宙就是一个极其干净的化学实验室。”佐治亚大学的 Phillip Stancil说道。他和Loreau一样以HeH+为研究对象，但也着眼于更多早期宇宙中不断变化的化合物组成上。
　　Phillip要解决的问题是，我们如何确定HeH+是宇宙中第一个原子组合。HeH+由氦原子和质子构成，这个结构中的裸露质子，使HeH+成为非常强的酸，能够结合任何与它碰撞的物质。一旦HeH+形成，就会触发第一个氢分子的形成；很快会出现其他的原子组合，比如LiHe和H3+，这两种微粒都非常不稳定，因此不能在自然界中存在。
　　看见恒星
　　在黑暗中，化学的诞生正引发一场变革。
　　原子态的氢有一个独特的性质：如果你令一片由大量氢原子构成的星云坍缩，它会变得越来越热，直到原子热运动足以平衡坍缩的趋势。最终你得到了一片较小的，没有什么结构可言的星云。一个仅仅由氢原子组成的宇宙是何其单调无味。
　　但氦合氢离子的出现带来了有趣的变化。紧接着第一个氢分子产生，现代宇宙的组成得以在此基础上发展起来。Satncil解释说：“对分子来说有新的机制能在坍缩期间释放能量。”分子向外辐射能量，因此星云能进一步冷却并继续坍缩。尽管氢分子不是最佳的“冷却剂”，但足够让百万倍太阳质量的星云自发完成引力坍缩。这些星云后来演变成为最初的恒星。数十万年甚至百万年后，黑暗逐渐被照亮。

静待升空的詹姆斯·韦伯空间望远镜或许能找到宇宙中最早的分子。

　　第一代恒星个头过大，极不稳定。它们通过内部的核反应迅速形成更重的元素，然后以剧烈的超新星爆炸结束短暂的一生。在爆炸过程中，碳、氧和硅元素散播至周围的星云，并将宇宙的化学引入第二个阶段。两种新化合物——水和一氧化碳出现，它们大幅提高星云冷却的效率，催生出数量庞大的更小的恒星。飘散的星尘颗粒组成了星体的固态表面，催生了更复杂的化学过程。最终，氢和氦的组合退出了历史舞台，让位于宇宙中的璀璨星系。
　　在出现第一束光的时代，还存在一些更令人注目的事情。哈佛大学的Avi Loeb指出，这时宇宙整体温度为大约300K（约27摄氏度），这意味着整个宇宙都处于适合生物生存的环境。
　　同时，那些爆炸的恒星都在释放碳、氧、氮、磷等构成生命的基本元素。Loeb将每颗爆炸的恒星形容成一个孵化母体，它在周围释放一连串包含重要元素的“气泡”。他很好奇，“黑暗时代”的结束是否也是宇宙中生命的开端。

智力的射电望远镜阵列ALMA

　　短暂的人类寿命看不尽漫长宇宙史的一瞬。幸运的是，一些经历了“黑暗时代”的原始化合物保留了下来。相关化学计算表明，我们应该能在遥远星系和超新星周围的星云中找到HeH+，甚至在行星状星云中也有可能。（行星状星云是恒星演化至红巨星末期，气体壳层向外膨胀并被电离后形成的发射星云）。但是至今，寻找HeH+的努力还没有得到回报。
　　“还没有观察到，但并不意味它不在那里，”Stancil说，“它或许刚好低于检测极限。”他例证说，天文学家直到20世纪90年代才发现重要的分子H3 +，“因为我们确实不知道应该看向哪里。”
　　至于HeH+，Stancil寄希望于两个新设备：智利的射电望远镜阵列ALMA和哈勃望远镜的接任者——尚未发射的詹姆斯·韦伯空间望远镜。它们的灵敏度虽不足以观测到第一代恒星，但是通过这些恒星形成的星团光亮，或许能够看到被照亮的宇宙早期分子。

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