宇宙最强的酸！大爆炸后第一个化学反应产物被找到了

行星星云NGC 7027中氦氢离子的结构。

化学是如何在宇宙开始时诞生的？几十年前，科学家提出氦氢离子(HeH+)是宇宙中第一个化学反应产物，但科学家一直无法证明这种物质存在于宇宙环境中。最后，在最新的《自然》杂志上，科学家们从行星状星云NGC 7027中探测到了HeH+，这是人类第一次在宇宙中探测到这种离子。

自古以来，就一直有一些隐藏着深刻科学真理的基本问题，比如是否首先存在蛋白质或核酸(遗传物质)？为了回答这个问题，我们必须从进化论的角度追溯生命起源的最初时刻。

当然，打开元素周期表，还有许多类似的问题，比如恒星为我们制造铁，超新星为我们制造金。然后，一直追溯到宇宙的早期，一个类似的问题出现了:“首先是氢还是氦？”

在元素周期表中，氢元素1和氦元素2的状态非常特殊。1号和2号在任何单位都是激烈的竞争对手。

首先是氢还是氦？

这个问题真的很重要。当然，这个问题的答案必须分为两部分。

对于氢和氦原子核，在大爆炸的早期有一个“初级核合成”阶段。在这个阶段，首先产生氢核，然后是氦核。

氢核实际上是一个质量为1.6726231 × 10-27千克的质子。如果用爱因斯坦的质量能量方程E=MC2来转换，质子的质量是9.38亿电子伏特，每个电子伏特大约相当于10，000摄氏度。因此，只要宇宙温度下降到938万摄氏度，质子就会在宇宙中产生。通过与大爆炸开始时的普朗克能量标准进行比较，根据早期宇宙辐射的特征，可以计算出氢原子核(质子)是在大爆炸后一秒钟形成的。

氦核直到大爆炸后3分钟才开始形成。

因此，氢核比氦核出现得早。然而，我们知道元素的位置是由原子核的位置决定的，所以在这个意义上，氢先于氦出现。

当然，事情没有那么简单——化学家不这么认为。因为原子对化学家来说更重要，仅仅看原子核是不够的。

对于氢和氦原子来说，它们不仅有原子核，还需要结合电子来形成原子。令人惊讶的是，在大爆炸的早期，氦原子比氢原子形成得更早。

天文学家观察早期宇宙中出现的天文现象的谱线。宇宙正在膨胀，所以宇宙早期的天文现象越多，其相应的光谱波长就越容易被宇宙的膨胀拉长，从而产生所谓的“红移”现象。

因此，知道“红移”意味着知道“时间”的宇宙学意义，宇宙学家经常用红移来标记时间。例如，在宇宙诞生380，000年后，光子开始变得*，并最终形成今天看到的宇宙微波背景辐射。根据宇宙学家的说法，宇宙诞生38万年后，红移达到1100。

香港科技大学物理系教师王毅在接受《环球科学》采访时表示:“中性氦原子的红移约为2000，而中性氢原子的红移约为1100。”

中性氢原子出现的时间，也就是宇宙微波背景辐射出现的时间，也就是宇宙38岁的时候，也就是红移1100度的时候。

红移越大，离现在的距离越长，这个原子出现的时间越长。氦原子光谱的红移大于氢原子光谱的红移，氢原子是宇宙中的第一个原子。

当然，我们也可以用量子力学来解释为什么在大爆炸核合成过程中氦原子比氢原子出现得早:氦离子He2+和He+比H+具有更高的电离势，因此它们可以首先与*电子结合形成第一个中性原子。

这是整件事情的两面。

HeH+是宇宙中的第一个分子吗？

我们有氢和氦，这相当于宇宙中有基本物质的物质，下面的故事会更多。这些材料之间的第一次化学反应是如何发生的，它的产物是什么？

20世纪70年代，天文学家提出中性氦原子与质子结合形成氦氢离子(HeH+)，这是宇宙化学反应的开始。

HeH+看起来很简单。它是由氦原子和质子结合而成的。这叫做分子离子——因为它看起来像分子，但实际上是离子。然而，科学家认为HeH+比氢分子更早出现在宇宙中，所以理论上它是宇宙中第一个分子离子。

早在1925年，化学家霍根斯(T. R .Hogness)和lunn (e)。g .这种分子离子是在地球的实验室里合成的。但是在宇宙中，科学家从未发现任何HeH+的痕迹。

将近100年过去了，到2019年4月17日，科学家们终于取得了突破:美国国家航空航天局和德国航空航天中心的一个联合项目——热大气层红外观测台(SOFIA)的高分辨率GREAT光谱仪探测到了HeH+发射的红外线。研究结果发表在《自然》杂志上。

HeH+已经在宇宙中找到了！

你能证明HeH+来自早期宇宙吗？

这一对HeH+的天文发现是由德国马克斯·普朗克无线电研究所的罗尔夫·古斯滕和其他人完成的。他们依靠等温红外观测台的高分辨率大光谱仪。

平流层红外观测台(图片来源:美国航天局照片/吉姆·罗斯)

这些光谱仪的数据是在平流层红外观测站(SOFIA)于2016年5月在飞机上进行三次飞行后获得的。这些数据可以用来分析NGC 7027星云中HeH+的存在。

然而，尽管这次探测到的氦氢离子在宇宙中，但它们一定不是在宇宙的早期形成的。

为什么会这样？因为探测到HeH+的NGC 7027星云距离我们的地球只有3000光年，这在宇宙学上是非常近的距离。此外，这次观测到的HeH+红移等于零，所以它肯定不是来自早期宇宙。如前所述，如果HeH+出现在早期宇宙中，它的红移应该在1100(氢原子)和2000(氦原子)之间，这接近于宇宙微波背景辐射的红移。

拉尔夫·古登在他的论文中提到的NGC 7027是一个年轻的星云。他们认为它的条件与早期宇宙的物理条件相似，所以它也可以在某种程度上证明早期宇宙中HeH+的存在——但这个理由似乎有些勉强。

如果我们想证明早期宇宙中存在HeH+的话，我们必须探测到具有高红移的HeH+线。

因此，尽管已经在宇宙中发现了HeH+分子，说它是宇宙中的第一个分子，还需要证明它确实很老——它需要找到HeH+的高红移谱线。

宇宙中最强的酸

自从在宇宙中发现了HeH+以来，它是什么样的物质？化学家推测它可能是宇宙中最强的酸。

HeH+由氦原子和质子组成，质子完全暴露在这种结构中，这使得HeH+能够在任何与它碰撞的物质分子中结合电子——这表现出很强的酸性。

尽管尚不确定HeH+是否是宇宙中产生的第一个分子，但这一发现仍然是一个积极的信号，表明HeH+确实存在于星际空间。HeH+是氢分子的祖先，这也为在星际空间中寻找中性氢提供了一条有价值的线索。

无论如何，这是科学的胜利。