终于找到了宇宙中的第一种分子

插图展现了行星状星云NGC 7027和氦化氢分子。在这个行星状星云中，SOFIA探测到氦化氢，它是氦（红）和氢（蓝）的结合，是早期宇宙中形成的第一种分子。这是第一次在现代宇宙中发现氦化氢。
Credits: NASA/SOFIA/L. Proudfit/D.Rutter

经过数十年的探索，人们首次在太空中探测到第一种在宇宙中形成的分子。科学家利用世界上最大的机载天文台（airborne observatory），NASA的同温层红外线天文台（Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy，SOFIA），在我们自己的星系中发现了它的信号。

宇宙很年轻时，只有几种原子存在。科学家认为，大爆炸（the big bang）后大约10万年，氦和氢结合起来，首次制造出一种叫氦化氢（Helium hydride）的分子。现代宇宙中应该存在氦化氢，但直到现在才被发现。

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SOFIA在行星状星云（昔日像太阳一样的恒星的“残骸”）NGC 7027中发现了现代氦化氢。NGC 7027距天鹅座（constellation Cygnus）3000光年，具有允许这种神秘分子形成的条件。这一发现证明了氦化氢实际上可以存在于太空中，同时也证实了我们对早期宇宙化学的基本理解的关键部分，以及它如何在数十亿年后演变成今天这般复杂的化学结构。研究结果发表在本周的《自然》杂志上。

“这种分子潜伏在那儿，我们需要正确的仪器在适当的位置进行观测，SOFIA就完美地做到了，”SOFIA科学中心（位于加州硅谷）主任Harold Yorke说道。

今天，宇宙充满了大而复杂的结构，例如行星、恒星和星系。但是130多亿年前（大爆炸之后），早期的宇宙很热，只有几种原子，主要是氦和氢。当原子结合形成分子时，宇宙才能够冷却并开始形成其他结构。科学家推断，氦化氢是第一个原始分子。

冷却开始后，氢原子便可以与氦化氢相互作用，从而产生分子氢——主要负责形成第一波恒星的分子。恒星继续制造更多元素，构成我们今天化学结构丰富的宇宙。但问题是，科学家们无法在太空中找到氦化氢。直到现在，化学诞生的第一步终于得到证实。

“数十年来，星际空间中缺乏氦化氢存在的证据一直是天文学中的困境，”马克斯普朗克射电天文研究所（Max Planck Institute for Radio Astronomy，位于德国波恩）的Rolf Guesten说，他是该论文的第一作者。

氦化氢是一种“很难搞”的分子。氦本身是一种惰性气体，因此不太可能与任何其他种类的原子结合。但是在1925年，科学家们通过诱导氦气与氢离子共享其中一个电子，能够在实验室中创造出这种分子。

后来，在20世纪70年代后期，研究NGC 7027的科学家认为这种环境可能恰好形成氦化氢。来自“老去恒星”的紫外线辐射和热量刚好提供了条件。但他们的观测结果并无定论。随后的研究暗示该分子的存在，但一直检测不到。所使用的太空望远镜没有特定的技术，未能从星云中其他分子的混合物中提取出氦化氢的信号。

2016年，科学家们向SOFIA寻求帮助。SOFIA的飞行高度达到14公里，在地球大气层上方进行观测。但不同于太空望远镜的优势在于，它在每次飞行后会返回。

“我们能够更换仪器并安装最新技术，”SOFIA副项目科学家Naseem Rangwala表示，“这种灵活性使我们能够改进观测并回应科学家最迫切的问题。”

最近SOFIA上升级的一种仪器称为German Receiver at Terahertz Frequencies （或GREAT），上面增加了以前望远镜没有的氦化氢的特定频道。该仪器像无线电接收器一样运作：科学家们调整正在搜索的分子的频率，类似于用调频收音机找电台。当SOFIA进入夜空时，科学家们正在实时读取仪器中的数据。终于，氦化氢的信号清晰地出现了。

“第一次在数据中看到氦化氢是非常令人兴奋的，”Guesten说，“这为长期的搜索带来了一个欢乐的结局，并消除了我们对早期宇宙中基础化学的理解的疑虑。

机载天文台SOFIA的科学家发现了宇宙中形成的第一种分子。他们在天鹅座附近的行星状星云中发现了氦和氢的化合物，称为氦化氢。这一发现证实了我们对早期宇宙化学的基本理解的关键部分，以及它如何在数十亿年后演变成今天这般复杂的化学结构。
Credits: NASA/Ames Research Center

SOFIA，即同温层红外线天文台，是一架波音747SP喷气客机，经过改装后可以携带直径67米的望远镜。这是NASA和德国航空太空中心（DLR）的联合项目。NASA的艾姆斯研究中心（Ames Research Center，位于加利福尼亚州硅谷）与大学空间研究协会（Universities Space Research Association，总部位于马里兰州哥伦比亚）以及斯图加特大学的德国SOFIA研究所（DSI）合作管理SOFIA项目、科学、和任务运营。该航天器由NASA的阿姆斯特朗飞行研究中心（Armstrong Flight Research Center，位于加利福尼亚州帕姆代尔）维护和运营。

参考：
https://www.nasa.gov/feature/the-universe-s-first-type-of-molecule-is-found-at-last/