Naukowcy zdobyli nowe informacje na temat powstawania pierwszej cząsteczki we Wszechświecie – jonu wodorku helu (HeH⁺). Odkrycia te pozwalają lepiej zrozumieć zjawiska chemiczne, które miały miejsce w najwcześniejszych etapach historii Wszechświata.
Narodziny pierwiastków po Wielkim Wybuchu
Wielki Wybuch, który miał miejsce około 13,8 miliarda lat temu, zapoczątkował istnienie czasu, przestrzeni oraz materii. Początkowo Wszechświat był ekstremalnie gorący i gęsty – warunki te uniemożliwiały istnienie nawet najbardziej podstawowych struktur, takich jak jądra atomowe.
Dopiero po upływie około 10 sekund temperatura spadła na tyle, że mogły zacząć się procesy łączenia protonów i neutronów w trwałe układy – rozpoczęła się pierwotna nukleosynteza. Kluczowe etapy przebiegały następująco:
- Po około 20 sekundach zaczęły powstawać pierwsze jądra deuteru (D), czyli wodoru zawierającego neutron oprócz protonu.
- Między 1. a 3. minutą tworzyły się jądra trytu (³H), hel-3 (³He) oraz przede wszystkim hel-4 (⁴He) – najstabilniejszy izotop helu.
- W śladowych ilościach powstawały także lekkie jądra litu (⁷Li) i beryli (⁷Be).
W sumie w ciągu kilku minut Wszechświat „wyprodukował” większość wodoru (około 75% masy) i helu (około 25%), jakie obserwujemy do dziś – wszystkie inne pierwiastki powstały znacznie później, głównie w jądrach gwiazd.
W tym okresie istniały jedynie jądra atomowe – atomy jako całość (czyli jądro + elektron) mogły powstać dopiero około 380 000 lat później, kiedy Wszechświat ochłodził się do temperatury, w której elektrony mogły połączyć się z jądrami. Proces ten nazywa się rekombinacją i zapoczątkował formowanie się neutralnych atomów wodoru i helu.
Schemat reakcji i poziom energetyczny badanej reakcji jonu wodorku helu z deuterem. Jest to reakcja szybka i bezbarierowa, wbrew wcześniejszym teoriom. Tło: Mgławica planetarna NGC 7027 z wodorem cząsteczkowym widocznym na czerwono. Źródło: MPIK, W. B. Latter (SIRTF Science Center/Caltech) i NASA
HeH⁺ – pierwsza cząsteczka Wszechświata
Z chwilą, gdy zaczęły istnieć neutralne atomy, możliwe stało się formowanie pierwszych cząsteczek. Najprawdopodobniej pierwszą cząsteczką, jaka kiedykolwiek powstała, był jon wodorku helu (HeH⁺). Tworzy się on w wyniku oddziaływania neutralnego atomu helu z protonem – jądrem wodoru.
Chociaż HeH⁺ nie jest cząsteczką w klasycznym sensie chemii wiązań kowalencyjnych, to jednak spełnia definicję cząstki złożonej z więcej niż jednego pierwiastka, która może uczestniczyć w reakcjach fizykochemicznych. Z tego względu HeH⁺ jest uważany za pierwszą „cząsteczkową” formę materii.
Jego pojawienie się zainicjowało szereg reakcji prowadzących do powstania wodoru cząsteczkowego (H₂) – najpowszechniejszej cząsteczki we Wszechświecie, kluczowej dla formowania się gwiazd.
Era ciemności i znaczenie prostych cząsteczek
Po rekombinacji Wszechświat wkroczył w tzw. erę ciemności – okres, w którym istniały już neutralne atomy, ale nie świeciły jeszcze żadne gwiazdy ani galaktyki. Było ciemno, zimno i cicho – ale w tym pozornie spokojnym czasie rozpoczęły się procesy prowadzące do narodzin pierwszych gwiazd.
Aby chmura gazu mogła się zapadać grawitacyjnie i zapoczątkować syntezę jądrową w centrum przyszłej gwiazdy, musi się wcześniej skutecznie ochładzać. Ochładzanie gazu odbywa się przez emisję fotonów – cząstek światła – w wyniku pobudzania cząsteczek podczas zderzeń.
Dla samych atomów wodoru ten proces staje się nieskuteczny w temperaturach poniżej 10 000 K. Natomiast cząsteczki, takie jak H₂ i HeH⁺, mogą oddawać energię również poprzez drgania i rotacje, co czyni je efektywnymi czynnikami chłodzącymi.
Szczególnie jon HeH⁺, ze względu na moment dipolowy (czyli asymetryczny rozkład ładunku), może efektywnie emitować promieniowanie nawet w bardzo niskich temperaturach. To sprawia, że mógł odegrać istotną rolę w umożliwieniu formowania się pierwszych gwiazd.
Era ciemności to okres, który rozpoczyna się po Wielkim Wybuchu, gdy we Wszechświecie powstają neutralne atomy, a promieniowanie pozostałe po tym zdarzeniu ochładza się i przestaje być widoczne w zakresie światła widzialnego. Epoka ta nie kończy się w momencie narodzin pierwszych gwiazd, lecz dopiero wtedy, gdy całe ich światło przestaje być pochłaniane przez absorbującą je neutralną materię. Wymaga to ponownej jonizacji tej materii – czyli rejonizacji. Dopiero wtedy epoka ciemności dobiega końca, a Wszechświat staje się przezroczysty dla światła gwiazd. Źródło: C.-A. Faucher-Giguere, A. Lidz i L. Hernquist, Science, 2008
Wczesne reakcje HeH⁺ i powstawanie H₂
W młodym Wszechświecie HeH⁺ wchodził w reakcje z atomami wodoru. W efekcie powstawał neutralny atom helu i jon H₂⁺, który z kolei reagował z kolejnym atomem wodoru, tworząc cząsteczkowy wodór (H₂) oraz proton. Te reakcje – choć zachodzące w warunkach bardzo rozrzedzonej materii – miały charakter jonowo-molekularny i były kluczowe dla kosmochemii tego okresu.
Rekonstrukcja wczesnych reakcji w laboratorium
Zespół badaczy z Instytutu Fizyki Jądrowej (MPIK) im. Maxa Plancka w Heidelbergu przeprowadził przełomowy eksperyment, w którym udało się odtworzyć jedną z takich reakcji w warunkach laboratoryjnych przypominających wczesny Wszechświat.
Zamiast zwykłego wodoru wykorzystano deuter (²H) – izotop wodoru zawierający jeden proton i jeden neutron. W reakcji HeH⁺ z deuterem powstaje jon HD⁺ (cząsteczka wodoru i deuteru) oraz neutralny atom helu.
Eksperyment odbył się w kriogenicznym pierścieniu przechowującym jony (CSR) – urządzeniu pozwalającym badać reakcje przy ekstremalnie niskich temperaturach, zbliżonych do tych panujących w przestrzeni międzygwiazdowej (około 3–10 kelwinów, czyli -270°C).
Naukowcy przechowywali jony HeH⁺ przez 60 sekund w 35-metrowym pierścieniu, a następnie kierowali na nie wiązkę neutralnych atomów deuteru. Dzięki precyzyjnemu kontrolowaniu względnych prędkości obu wiązek mogli badać, jak tempo reakcji zmienia się wraz z energią zderzenia (czyli pośrednio – temperaturą).
Kriogeniczny pierścień przechowujący jony (CSR), zaprojektowany, zbudowany i zlokalizowany w Instytucie Fizyki Jądrowej im. Maxa Plancka, składa się z eksperymentalnego systemu próżniowego, w którym utrzymuje się temperaturę poniżej 10 K. Źródło: Weizmann Institute of Science
Nowe odkrycia – tempo reakcji w zimnym Wszechświecie
Wbrew wcześniejszym teoriom, okazało się, że tempo reakcji nie spada wraz z obniżeniem temperatury, lecz pozostaje niemal niezmienione. To oznacza, że HeH⁺ mógł skutecznie reagować z wodorem i deuterem także w bardzo zimnym, młodym Wszechświecie – a zatem odegrać większą rolę w chemii kosmicznej, niż wcześniej sądzono.
Wyniki te zostały potwierdzone również przez nowe obliczenia teoretyczne, które uwzględniają poprawioną powierzchnię potencjału – matematyczny opis tego, jak zmienia się energia układu w trakcie reakcji.
Znaczenie odkrycia dla astrofizyki i chemii kosmicznej
Badania te przybliżają nas do zrozumienia, jak formowały się pierwsze struktury we Wszechświecie – w tym gwiazdy i galaktyki. Uświadamiają również, że nawet najprostsze cząsteczki, jak HeH⁺ czy H₂, miały ogromny wpływ na dalszy rozwój kosmosu.
To fascynujące, że związek chemiczny tak egzotyczny i nietrwały jak jon wodorku helu, mógł odegrać kluczową rolę w narodzinach gwiazd – a więc i w powstaniu warunków niezbędnych do życia.
Więcej informacji: publikacja “Experimental confirmation of barrierless reactions between HeH+ and deuterium atoms suggests a lower abundance of the first molecules at very high redshifts” by F. Grussie, et al., 2025, Astronomy & Astrophysics.
DOI: 10.1051/0004-6361/202555316
Opracowanie: Joanna Molenda-Żakowicz
Ilustracja: Wizualizacja, jak mogło wyglądać powstanie sieci kosmicznej. Źródło: Maureen Teyssier/Rutgers University i Andrew Pontzen/University College London
