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宇宙最早分子键是怎么检测到的?靠一架硬核波音747

“我们终于找到了构成分子宇宙的其中一块基石。”

图片来源:sofia

记者 | 潘金花

大爆炸之后的宇宙,是否真的如我们所想,由氦与氢碰撞后形成了恒星、行星、乃至地球上的一切生命?科学家在一架改装后的波音747上找到了肯定的答案。

4月17日,《自然》杂志发表了一项天体物理学重要成果,科学家首次在太空中检测到了被认为是宇宙首个分子键的氦合氢离子HeH+,为一项长达几十年的研究画上了圆满的句号。

在天体物理学研究中,氦与氢被认为是宇宙大爆炸后最早形成的原子,它们碰撞后形成的宇宙首个化学反应产物HeH+被认为是宇宙演化的一个重要起点。研究团队在《自然》杂志中这样形容这一发现:“尽管HeH+对于今日的地球意义有限,但正是这个离子开启了宇宙的一切化学反应。”

早于氢分子出现的HeH+被认为是宇宙中最强的酸,可以与任何与其碰撞的物质结合,触发新分子的形成。1925年,科学家首次在实验室证明了HeH+的存在,1970年代末,科学界开始探讨这个神秘离子存在于近域等离子体天体的可能性。科学家认为,恒星诞生前与衰亡后的星云状态与早期宇宙的条件相近,有较大可能发现HeH+,但他们一直未能在太空中检测到它的存在。

NGC 7027与HeH+。图片来源:sofia

如今,科学家终于在距地3000光年的NGC 7027星云找到了HeH+的踪迹。NGC 7027星云位于天鹅座,形成仅600年,中央是一颗刚开始冷却、温度仍极高的白矮星,向外膨胀的气体壳层形成了星云。

其实早在1970年代,科学家就已经认为NGC 7027星云有望找到HeH+,但却迟迟未能揭开它的面纱。根据量子力学理论,分子均可发射特定波长的辐射,其物理量可供实验室测量与计算,因此,科学家可以根据光谱学,利用分光计来确定HeH+的存在。

但由于HeH+发射的红外线波长处于极易被地球大气层水蒸气吸收的波段,地基望远镜无法满足观测需求,科学家必须在另一个地方捕捉HeH+的身影——天上。

为此次宇宙最远古分子键的成功检测立下大功的正是一架经过改装的波音747SP,它是一个平流层红外天文观测台(Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy,简称SOFIA)。

SOFIA。图片来源:NASA

SOFIA由美国国家航空航天局(NASA)与德国航空航天中心(DLR)合作建造,其中装有直径2.7米(有效直径2.5米)的反射望远镜,可飞至38000英尺(11582米)至45000英尺(13716米)的高空,高于99%可吸收红外线的地球大气层。

飞机上的高分辨率分光计GREAT是检测HeH+的关键。GREAT的全称是“德国太赫兹天文接收器(German REceiver for Astronomy at Terahertz Frequencies)”,可观察光谱范围为0.06-0.60毫米,适用于辐射波长为0.149毫米的HeH+。

研究团队根据光谱学来检测HeH+的存在。图片来源:mpifr

在2016年5月的3次飞行中,研究团队将GREAT对准了NGC 7027星云,之后,团队对收集到的数据进行了详细的分析,最终惊喜地发现了HeH+的存在,为天文学家一直以来对宇宙形成的理解提供了极具分量的佐证。

该研究第一作者、德国马克斯·普朗克射电天文研究所天文学家拉尔夫·古斯滕(Rolf Güsten)表示,此次检测的准确率极高。他说,“如果无法在近域宇宙证明HeH+的存在,我们对早期宇宙化学构成的理解便一直存在疑问,这一发现让这些疑虑烟消云散。”

在该研究另一位作者、约翰·霍普金斯大学物理及天文系教授大卫·纽菲尔德(David Neufeld)看来,这一发现“震撼且美丽”,“哪怕可用的成分非常有限,只有氢和惰性的氦,温度还高达上千摄氏度,这个脆弱的分子依然诞生了。”

布鲁塞尔自由大学的氦合氢离子领域学者热罗姆·洛罗(Jérôme Loreau,未参与此次研究)也对此激动万分,他说,“我们终于找到了构成分子宇宙的其中一块基石。”

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