Στα ίχνη της κοσμικής Χημείας: Επαναδημιούργησαν τις πρώτες αντιδράσεις του Σύμπαντος

Μια ανακάλυψη έρχεται να ρίξει φως στις πρώτες χημικές διεργασίες που έλαβαν χώρα αμέσως μετά το Big Bang, αποκαλύπτοντας κρίσιμα στοιχεία για τη γέννηση του Σύμπαντος όπως το γνωρίζουμε σήμερα. Ερευνητές από το Max Planck Institute for Nuclear Physics (MPIK) στη Γερμανία, υπό την καθοδήγηση του Florian Grussie, κατάφεραν για πρώτη φορά να αναπαραστήσουν στο εργαστήριο τις συνθήκες υπό τις οποίες σχηματίστηκε το πρώτο μόριο στην ιστορία του Σύμπαντος: το ιόν ηλίου-υδριδίου, ή αλλιώς HeH⁺.

Το HeH⁺ δημιουργείται όταν ένα ουδέτερο άτομο ηλίου ενώνεται με ένα ιονισμένο άτομο υδρογόνου. Αν και φαινομενικά απλό, αυτό το μόριο αποτελεί τον πρόδρομο της δημιουργίας του μοριακού υδρογόνου (H₂), το οποίο είναι και το πιο άφθονο μόριο στο Σύμπαν, το «καύσιμο» από το οποίο σχηματίζονται τα άστρα.

Η συγκεκριμένη έρευνα δεν αφορά απλώς μια χημική αντίδραση, αλλά ξεδιπλώνει μια από τις πιο πρώιμες σελίδες της κοσμικής ιστορίας. Περίπου 13,8 δισεκατομμύρια χρόνια πριν, λίγο μετά το Big Bang, το Σύμπαν ήταν μια καυτή και πυκνή «σούπα» θεμελιωδών σωματιδίων, όπου οι θερμοκρασίες ήταν υπερβολικά υψηλές για να μπορέσουν να σχηματιστούν άτομα. Μόλις 380.000 χρόνια αργότερα, καθώς η θερμοκρασία άρχισε να πέφτει, τα πρωτόνια και τα ηλεκτρόνια έχασαν αρκετή ενέργεια ώστε να δημιουργηθούν τα πρώτα άτομα, κυρίως υδρογόνο και ήλιο, με ίχνη λιθίου. Αυτά τα ελαφριά στοιχεία αποτέλεσαν τα «δομικά υλικά» του Σύμπαντος.

Σήμερα, το υδρογόνο εξακολουθεί να κυριαρχεί στο κοσμικό «μενού», καθώς συγκεντρώνεται σε τεράστια μοριακά νέφη, τα οποία με τη σειρά τους γεννούν τα άστρα μέσω πυρηνικών αντιδράσεων ή εκρηκτικών γεγονότων. Ωστόσο, καμία από αυτές τις διαδικασίες δεν θα ήταν εφικτή χωρίς την ύπαρξη του HeH⁺.

Ο λόγος για τη σημασία του HeH⁺ είναι η μοναδική του δομή: το μόριο διαθέτει μεγάλη διαχωριστική απόσταση ανάμεσα στα θετικά και αρνητικά του φορτία. Αυτό του προσδίδει την ικανότητα να απορροφά και να απελευθερώνει ενέργεια όταν βρίσκεται μέσα σε ηλεκτρικά πεδία, λειτουργώντας ως φυσικός «ψύκτης» του πρώιμου Σύμπαντος. Με άλλα λόγια, συνέβαλε καθοριστικά στην ψύξη της κοσμικής «σούπας», επιτρέποντας στα νέφη αερίου να συμπυκνωθούν αρκετά ώστε να δημιουργηθούν τα πρώτα άστρα.

Οι πειραματικές συνθήκες που απαιτήθηκαν για να επιβεβαιωθούν αυτές οι θεωρίες κάθε άλλο παρά απλές ήταν. Οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν το Cryogenic Storage Ring του ινστιτούτου Max Planck, μια εξειδικευμένη εγκατάσταση που προσομοιώνει τις συνθήκες του διαστήματος, λειτουργώντας σε θερμοκρασίες λίγο πάνω από το απόλυτο μηδέν, περίπου -267 βαθμούς Κελσίου.

Εκεί, οι ερευνητές μελέτησαν λεπτομερώς την αλληλεπίδραση του HeH⁺ με δευτέριο, ένα ισότοπο του υδρογόνου που διαθέτει έναν επιπλέον νετρόνιο στον πυρήνα του. Η συγκεκριμένη αντίδραση παράγει ένα ουδέτερο άτομο ηλίου και ένα νέο μόριο (HD⁺), που αποτελείται από ένα ουδέτερο άτομο υδρογόνου και ένα φορτισμένο δευτέριο. Η ενέργεια των προϊόντων της αντίδρασης είναι χαμηλότερη από εκείνη των αρχικών σωματιδίων, γεγονός που δείχνει πως πρόκειται για διεργασία που συνέβαλε ενεργά στην απελευθέρωση θερμότητας από το Σύμπαν.

Για την ανάλυση της επίδρασης της θερμοκρασίας στον ρυθμό της αντίδρασης, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν δύο δέσμες σωματιδίων: μία με HeH⁺ και μία με δευτέριο. Μεταβάλλοντας την ταχύτητα των δεσμών και άρα την ενέργεια της σύγκρουσης, προσομοίωσαν διαφορετικές θερμοκρασίες, προκειμένου να διαπιστώσουν αν το ψύχος επηρέαζε την αποτελεσματικότητα της αντίδρασης.

Τα αποτελέσματα ήταν εντυπωσιακά: ο ρυθμός της αντίδρασης παρέμεινε σταθερός ανεξαρτήτως θερμοκρασίας. Αυτό σημαίνει πως το HeH⁺ διατηρούσε τη χημική του «αποστολή» ακόμη και καθώς το Σύμπαν ψυχόταν, διαδραματίζοντας ουσιαστικό ρόλο στη δημιουργία των πρώτων αστρικών δομών.

Όπως εξηγεί ο Holger Kreckel από το MPIK, «οι προηγούμενες θεωρίες προέβλεπαν σημαντική μείωση της πιθανότητας αντίδρασης σε χαμηλές θερμοκρασίες, αλλά κάτι τέτοιο δεν επιβεβαιώθηκε ούτε στο πείραμα ούτε στους νέους θεωρητικούς υπολογισμούς των συναδέλφων μας».

Η σημασία αυτής της μελέτης δεν περιορίζεται μόνο στην κατανόηση των πρώτων στιγμών του Σύμπαντος, αλλά ανοίγει και νέους δρόμους για την εξερεύνηση της προέλευσης των χημικών στοιχείων και της εξέλιξης της ύλης. Το HeH⁺, ένα φαινομενικά απλό μόριο, αποδεικνύεται θεμέλιο για τη γέννηση των άστρων και, εν τέλει, για την ίδια την ύπαρξη της κοσμικής τάξης.

[via]