天文学

第一个分子’Univers

研究人员认为氦氢化物离子,嘿+, 在été la première molécule à se former dans le cosmos. Mais il échappait à toute détection dans l’espace. On vient de confirmer sa découverte dans le milieu interstellaire, dans les débris d’une étoile en fin de vie.

Ryan Fortenberry. 对于Science N°512
本文保留用于科学用户
氢化氦


在诞生期间’宇宙,大爆炸有libéré une quantité considérable d’énergie qui s’est transformée en une soupe extrê热轻微的基本粒子,包括é电子,光子和成分élé原子核,夸克。这个环境有évolué rapidement mais l’原子和摩尔的出现écules a été plus tardive. Si l’原子训练史得到很好的理解和确认ée aujourd’通过各种观察,第一个观察ères molé邪教更不确定。什么摩尔écule s’est formée en premier ?对于星式化学家来说,它是TRès probable que ce fût l’hydrure d’hélium, composé d’un atome d’hydrogène et d'un autre d’hélium。但要确认这一假设èse, il était né找到这个摩尔é在星际环境中的内心。那ête n’a abouti que très récemment.

理解为什么’hydrure d’hélium s’est formé首先,有必要进入原始汤’Univers. Dè他的出生,宇宙était animé d’une dynamique d’空间扩展输入î它的临时快速下降é速度。这种冷却允许形成新的éléments. En moins d’une microseconde aprèS大爆炸,夸克加入了és grâce à l’强烈的互动,生出质子和中子。在随后的几分钟内,这些质子和中子开始了é à结合并训练最简单的原子核 : ceux d’hydrogène(简单的质子),deutérium(质子和中子),d’héLium(两个质子和两个中子),更少锂(三个质子和三个或四个中子)。

宇宙的第一个原子

宇宙的第一个原子在这里由其轨道模型表示,其展示其亚杀菌成分。在以下页面中,由至少两个原子组成的分子和离子将以更常规的方式由球形表示 - 表示通过棍棒连接的原子,其代表参与化学键的电子。

除非另有说明,否则所有插图都来自Elena Hartley

S.’明显与之一样’électrons qu’它们不含质子,核形式原子,é电中性。但是因为温度érature de la soupe était encore trop élevée, les photons très énergé蜱滴瞬间努力ément les é这些协会的读者。汤是休息的ée一种成分的等离子体électriquement chargés,核和é电动,数十万’années。光子,与这些电荷颗粒永久相互作用é他们不能在长途跋涉上自由蔓延。 conséquence : l’Univers est resté opaque pendant près de 380 000 ans. Puis, à cette époque, la température a assez baissé因此,第一中性原子是持久的,其允许光子扩散和s’é切拉布,构成我们今天仍然观察的辐射’hui le vestige, le «宇宙漫反射背景».

在Comp的所有原子核中é捕捉électrons, l’hélium a été le premier à形成中性原子。为什么不’hydrogène ou le lithium ? L’hélium, premier élément inerte, ou « gaz noble » (ou « gaz rare ») du tableau périodique des éléments, est particulièrement stable lorsqu’il comporte deux é电子。换句话说,我们必须提供更多’énergie撕掉他électron qu’il n’例如,对于’hydrogène. Cette stabilité s’通过分层结构解释é原子中的电子。当一层填充时, ’装配更稳定;或者是première couche é电子包含两个地方。在L.’atome d’hydrogène, qui n’a qu’un seul électron, cette première couche n’不像à l’hélium.

在l的青年溢价’宇宙,当细胞核’hélium ont commencé à rencontrer des é钢管,所以他们履行了第一个è他们的云层é没有核的电子’hydrogè在这个捕获过程中无法赶上’é电子,锂核之前是même présents pour réColter,每个,三électrons né成为中性原子。

打猎électrons

在BR.ève période, l’宇宙含有原子’hé中性吉利和绝大多数é de noyaux d’hydrogèNE(单独的质子),谁的电荷électrique a commencé à jouer un rôle important dans l’é宇宙的演变。随着环境的冷却,质子几乎没有à peu ralenti et ont été d’autant plus attirés par des entités chargées né成立。但就像这一点一样’hélium avait déjà capté很好的一部分électrons, les électrons libres é稀有和质子和a之间的直接和解électron étaient d’如此特别。另一方面,质子étaient attirés par les électrons pré在原子里’hé新形式的吉利és. Bien que l’hélium几乎没有失去他的é电子,一些原子’hélium ont fini, à碰撞注册é什么,汇集他们的两个é电子与核心’hydrogène. C’因此形成ées les premiè化学环节,分娩à une espèce chimique constituée d’hélium et d’hydrogène, nommée « hydrure d’hélium » ou encore « hélonium »。 Heh Chemical Formul.+,这个摩尔离子éculaire – on s’后来将授权这个术语« molécule »在所有严谨,désigne une structure é电中性– aurait donc été le premier composé complexe présent en quantité重要的是’Univers.

事实是l’hélium ait été le premier élément à形成化学链接我们î因为我们考虑而令人惊讶érons d’ordinaire l’hélium comme l’élé最不可能绑定à d’其他,这种惰性气体的原子具有多个’é保证TR的电子ès grande stabilité. Mais dans l’原始宇宙,情况était en fait très particulière : l’hélium était l’unique « banque à électrons » disposée à en « prêter »正负载荷,质子。

那些C.é纳里奥安全étayé由他的论点éoric几dé燕麦斯,但仍然缺乏具体的观察è纠正它。摩尔écule HeH+ est particulièrement éliply。它不能从faç我们在地球上自然,除了SP条件é在实验室。她也通过了ée inaperçue dans l’espace pendant très longtemps ;但在2019年,罗尔夫Güsten, de l’Max-Planck Alloistronomy研究所,à波恩,德国和他的équipe ont annoncé l’avoir observée pour la premièrex,the n的tapieébuleuse planétaire engendrée par la mort d’une é帆布。题目研究é四十年前终于伤害了é他们的水果和comblé我们了解了我们了解的第一矩的真空’Univers.

氢化氦

HEH分子离子的表示+ 基于分子轨道和电子存在的密度。

©Elena Hartley.

摩尔écule HeH+ s’est donc ajoutée à la liste des molé已知的外星翅膀 ; à这一天,科学家有étecté plus de 200 espèces chimiques dans l’espace. L’装饰的田野’études qui s’inté带有结构和pH的裂缝énomè地球外的化学品,目标à déterminer quelles molécules et ions moléculaires sont présents dans l’空间,这些复合材料és形成,他们是什么évolution apporte à l’astrophysique, d’戏弄的观点éorique qu’观察。从« astromolécules »众所周知,众多是那些这样的人’eau (H2o),l’ammoniac (NH3)或楷模的éhyde (CH2o),是répandues sur Terre. D’autres sont trè不寻常,这样2 CL. +,通过添加质子获得à l’盐酸(HCl)和HO2,可吸收过氧化物D.’hydrogène ou « eau oxygénée » (H2O2)自私é d’un atome d’hydrogè出生。观察到的奇怪中ées figurent des molécules chargéES,包含的组件électrons non appariés,和配置étranges de molé更常见的茶。科学家有M.ême repéré des molécules formées avec des élé惰性的细节,如arh+,其中包含来自的’argon, ainsi que HeH+,新的来。

太空中的分子

在空间中检测到分子的一些例子。

©Elena Hartley.

大多数化学目标应用程序命运ées à使世界更高效,更为效力éable ou plus sûr. L’astrochimie, elle, s’intéresse aux propriété最基本的摩尔écules :了解化学环节或稳定性é des molécules et dé完成为什么有些espè这些化学品更多répandues que d’autres. En étudiant la chimie à l’œ工作如此差异环境érents de la Terre –投入温度é估值,压力和进注é不寻常的可用国内–, 科学家们écouvrent des molé邪苦的邪苦让他们的表现ésentations familiè原子互动,从而深化他们的é化学的兴高。 D.é精致的,星式师尤其代价è了解博士学位énomènes chimiques dans l’空间导致了Ingriggeré找到自己的地方és sur les planètes du Systè太阳能,谁终于允许’地球上的生活。

Où se cache HeH+ ?

1925年,在他的实验室’université de Californie à Berkeley, aux É美国,化学家Thorfin Hogness和他的助手爱德华伦敦有écouvert qu’un mélange gazeux d’hélium et d’hydrogène enfermé dans une chambre à vide en présence d’un arc é电生产生各个离子,不同的块é年金。为了识别它们,他们使用了é质谱测量产物离子的质量/载荷比 ; la mise en œ这种技术的工作,然后是新的和今天’hui très courante, a montré这份报告值得 5对于一些离子。

养猪和伦敦âce aux donné他们在玛尼结束了他们ère certaine qu’ils avaient synthétisé l’ion moléculaire HeH+。事实上,这个拥有五个质子或中子,它的质量是弥撒的五倍élémentaire d’质子(质子的质量和中子是très关闭,虽然质量électrons est né相比之下)。他的费用,至于à她值得一团糟élé质子导致。因此,质量/电荷比在这些单元中有很好的5és.

但是,嘿+, « molécule » très不稳定,包括一个élément inerte, s’est révélé extrêmement difficile à étudier, mê我在精心实验室条件下ôlées. Dans l’Univers jeune, HeH+ é因为这种摩尔离子可能更不稳定éCullar倾向à perdre son proton H+ 在与另一个原子的丝毫震荡下。在这个组装中,’hélium分享他的两个é电子,虽然’hydrogène n’没有。没有。这种类型的化学键égale, nommé « 共价连接协调 »是较弱的,因此比脆弱更脆弱’传统的共价键,其中两个原子有贡献à la mise en commun d’électrons de façon plus symétrique.

1978年,约翰黑,然后à l’université du Minnesota, a été le premier à défendre l’idée que HeH+ puisse être encore présent dans l’espace malgré他的巨大不稳定é. Il a de plus suggéré que les nébuleuses plané这些气体和灰尘ère très chauds expulsés par des é生命结束时大规模的画布,é是好的地方où chercher la molécule。在这些云的sph形状é谁的中心被占领了é par leur é帆布,我们发现了éné一层薄薄的’hélium ionisé (et donc chargé), en présence d’atomes d’hydrogène neutres ;强烈的吸引力行使ée par l’hélium ionisé sur des électrons rendrait l’ion susceptible d’« emprunter » un électron à l’hydrogène(情况几乎相反的情况’原始宇宙)。这électron partagé cré因此因此连接。

C’是为什么自安结境以来éES 1970年,与化学家合作的天文学家已经研究过é l’ion moléculaire HeH+ 在许多地方,局限于’Univers jusqu’au voisinage d’é超大帆布。但对于许多人而言éCundies这项研究’ont rien donné, ce qui a poussé certains à douter du rôle réel joué par HeH+ 在宇宙的原始化学中。 L.’hé有点真正形成é des liaisons avec H+ ?它似乎是être le cas, puisqu’il n’y avait rien d’其他在这些反冲时间中形成化学键és. Mais si HeH+ s’est bien formé, où est-il ?

模具签名éculaires

有些人在寻找嘿+ sans succèS,星式学家有écouvert dans l’许多其他摩尔的空间é他们没有谁’没有等待。对于一些人来说,他们’arrivaient même pas à识别他们。这个故事已经开始了é1919年,当玛丽lea heger时,à l’L的Lick Observator’université加利福尼亚划伤了行为’un système binaire d’é帆布(类似于Saga的Tatooine Suns 星球大战)他的观察结果给了é des résultats surprenants.

摩尔écule d’une espèce chimique donnée pré感受到一个安排’atomes et d’électrons bien spéCIF,吸收光线ère d’une faç我们很干净。这对他来说意味着è重新签名。长大的âce à光谱学,包括à décomposer la lumière en ses diffé组件年度差异é通过他们的长度’波浪,天文学家出现î是光线,或乐队,暗。这些« bandes d’absorption »对应于长度’onde absorbées par les molé崇拜构成中间é par la lumière analysée. Ainsi, l’光谱分析允许’identifier les molécules.

如果是étoiles étudié由玛丽lea heger,因为两星围绕着他们的攀岩中心é commun, les caractéLumi的光谱统治ère provenant de l’atmosphère de chacune des éCanvases正在进行他们的长度的变化’onde par l’多普勒效应:对于每个星,光谱线是é割伤蓝色’é帆布范围从我们和红色的时候’éloignait.

但’astronome amé¥还指出é des signatures moléculaires étranges :剩下固定马尔加的乐队é le mouvement des é画布。通过观察另一个系统ème binaire, le même schéma s’est reproduit. D’其他天文学家随后展示é这些固定乐队étaient aussi présentes lorsqu’他们指出了他们的télescopes vers des é简单的画布。他们有D.é这些标志的卫星是être ceux de molécules situées non pas dans l’atmosphère des étoiles elles-mê我的,但在巨大的ré冷园é父母。最多étonnant é是这些签名é几乎与所有人相同étoiles observées, et mê我是紫外的观察。

这些标记,名称és « 弥漫性星际乐队 » (BID), étaient omnipré发送。科学家们已经过去了é筛选了摩尔的签名é已知的化学家’elles soient présentes à l’é地球上的自然tat,合成étisé在实验室或遵守ées dans l’espace grâce à des radioté莱斯科普斯。没有通信IDB : ces derniè因此来自摩尔écules inconnues.

威廉·克莱姆珀,来自’université Harvard et l’其中一个先驱’astrochimie, a suggéré que les BID é是标记’ion S3形式é à partir de la molécule de trisoufre S3。当研究人员有écarté这条赛道,威廉克莱梅勒é太被淹没了é qu’il a écrit : « Il n’没有更好的方法来失去它的ré科学耗时而不是spéculer sur l’扩散[星际]乐队的起源。 » Plusieurs hypothèses quant à l’出价的起源有圈子é pendant des dé鸽子,但没有n’a tenu : on a considéré cela comme l’énigme la plus impéné光谱表。

离子trisoufre.

Ion Trisoufre S.3+

©Elena Hartley.

摩尔écule é健康和意外

L’une des hypothè他最迷人的扶贫ç弥漫性星际乐队来自’多环芳烃或HAP。这些摩尔écules, constituées de feuillets d’形成六边形的碳原子是烟灰的主要成分’沥青和石墨。它们不太可能éagir avec d’autres molé但倾向但倾向于à se coller à他们。对于星式化学家,问题ème des HAP est qu’ils présentent de très nombreuses variété非常相似,其光谱标记几乎是不可能的à彼此区分。因此很难’extraire le déPAH签名尾巴à partir d’une mesure d’一起。但它似乎在être de même pour les BID : il était difficile d’extraire des raies d’absorption précises à来自这些漫反射和复杂的乐队。因此,多环芳烃解释弥漫性星际乐队 ?

多环芳烃

多环芳烃(HAP, 向上 )和苯腈分子 (以下),芳香烃稀有,靠近HAP,在2018年在太空中发现。

©Elena Hartley.

这种 ’idées在春天家中做了他的方式à partir des anné1970年,但expé特别是été dé终止。当年é1980年,化学家Harold Kroto,à l’université英格兰苏塞克斯,与他一起工作équipe à la déMOL新闻职员écules dans l’空间。他听说过’une expérience réalisée化学家罗伯特·克鲁尔和理查德·斯姆兰利,à l’université Rice, aux É美国,他们有é一个tra激光束è在表面上的动力’铝制作’éM的蒸气部分é塔。凝à nouveau, cette matière avait donné naissance à de nouvelles molécules d’大铝。哈罗德·克罗托提议了érigans取代了这一点’碳铝通过碳来看看’il é可以形成摩尔écules carbonées observées dans les étoiles gé红色的防龙。摩尔é最不寻常的cule出现了 : C60形式é六十碳原子Agencé■像一个足球球。 1996年,Harold Kroto,Robert Curl和Richard Smalley是ç你的诺贝尔化学价格é承保了更富勒斯è其中包含这种摩尔écule nommée « footballène » ou « buckminsterfullerène » (en l’honneur de l’建筑物荞麦斯特暴跌,以他的d而闻名ômes géodésiques).

哈罗德克罗托é确信更饱满ènes étaient présents dans l’espace et étaient la source de certaines 弥漫性星际乐队. Peu de scientifiques l’但是,他遵循了,他是’a pas persisté在那个方向。但在2010年,公关è二十五年后ès leur dé在实验室覆盖,c60 et son cousin le C70 ont été observé在红外线领域,在nébuleuse planétaire 天鹅星座的TC1。我们仍然不知道这些摩尔吗?écules étaient liéES或不在Lumi中出价è可见的。三个作品éoriques le suggé但科学家没有’没有确认exp.érimentale.

Fullerenes C60和C70

富勒烯C.60 et C70.

©Elena Hartley.

2015年,一个阳离子(离子Chargé积极地)更饱满ène, C60+, 在été synthétisé在实验室及其光谱签名登记ée在近红外。一个,那么两个乐队’然后吸收这种离子été associées aux longueurs d’onde de 弥漫性星际乐队 connues. Par la suite, les chercheurs ont montré这些签名相对应à四到五个出价。然后,在2019年,GRâce au télescope spatial 哈勃 ,马丁丁丁,来自美国宇航局戈达德中心的空间飞行中心,États-Unis, et son équipe ont mesuré avec pré触鸣的长度’可见光波在十一方向上é画布,主要是老gé红色的防龙。他们得出结论,这些出价确实适合数据ées expé让人想起C.60+,确认这种离子的贡献à certaines BID.

这écouverte révè最全球’至少一种摩尔écules laisse, de faç我们确定他的标记’星际空间。我们认为更饱满ènes s’y forment à partir d’多环芳烃,应该是être aussi présents dans l’空间。第一个索引开始了é à s’accumuler à从2018年开始,研究人员观察到é pour la premiè参考摩尔的光谱签名é邪教靠近Hap家族。摩尔écule qu’ils ont détectée,苯腈(c6H5-CN),是一种稀有芳烃,具有单个循环’碳原子,使其更容易à dé做那个pahs。甚至更多R.é这些科学家有étecté des cyanonaphtalènes à两个周期,显示较大的PAH也是PRésents dans l’星际空间。

D.écouverte de HeH+

魔鬼é toutes ces avancé在领域’astrochimie, HeH+ est resté invisible dans l’宇宙。我们认为第一个ères molé邪教在年轻人中很快消失了’宇宙。虽然它扩张和冷却,核心’hydrogène résiduels, restés isolés, ont commencé à capturer eux-mêmes des é电子。这些原子有时与Heh离子相撞+。发生时,HE-H链接’离子,相对较弱,破裂和更强大的联系’é在两个原子之间建立’hydrogène pour former l’ion H2+。 L.’atome d’héLium,他的部分被孤立é.

二氢形成

在训练之后+,介质的氢原子破坏这些弱链接的分子,并与这样释放的质子缔合形成以形成分子H.2+,更强烈的联系。

©Elena Hartley.

如果是’on se conforme à ce scénario, la brève existence de HeH+ aurait peu d’在过程中的重要性’histoire de l’Univers. Mais c’est loin d’être le cas. D’après les modè在r上轴承é可能的化学作用à cette é包装,星式化主义者认为没有公关ésence de HeH+,L.’ion H2+以及摩尔écule de dihydrogène, H2,将形成é得慢得多 :其他路径领先à ces composés requièrent plus d’é赤霉病。然后训练h2 a donné naissance à许多其他ESP.èces chimiques : l’ion H3+谁有接触é CH+,谁拥有自己ême produit CH2+ et une succession d’autres molé。最后,这个级联已经给出了é naissance à l’eau (H2o),à l’éthanol (C2H5哦)和à des molé翅膀较大。所有这些转变都起源于è重新结合弱和asmétrique dans HeH+ ;没有这种离子,’宇宙会很大é我们知道的那个。

链综合

呵呵 + ouvre la voie

氢化物的形成使H形成H.2+。然后允许形成许多其他分子。呵呵+,这些在宇宙中的合成将慢。

©Elena Hartley.

2013年,星式化学家étaient frustrés de n’ê总是没有达到à détecter HeH+。但这个安尼亚州ée-là, une lueur d’研究人员有希望出现écouvert l’ion ArH+,包含这一点’argon – un élément inerte comme l’hélium –, dans la néBleuing Crab,剩下的超新星。科学家们有斧头é他们对嘿的研究+ 在类似的环境中,TRès chauds. Un problème majeur s’est toutefois posé。光谱光线允许’identifier l’é嘿基础塔特+ sont trè靠近两个过渡的那些,d’un état interne à un autre, de la molécule ch(所有Première molécule jamais observée dans l’espace). Aucun té然后莱斯科普在服务中’é能够区分他们的光谱签名。

C’然后是那个à contribution l’Stratosh天文台érique pour l’红外天文学(S ofia , 为了 红外天文学的平流层天文​​台),résultat d’美国宇航局与德国中心之间的合作’aéronautique et l’astronautique (DLR) – l’德国空间机构。他’agit d’un télescope infrarouge aéroporté : dans le flanc d’un avion, un Boeing 747转换,一个开口été pratiquée允许télescope de ré遵守à高海拔。在五月 2016, une é国际团队使用é S ofia 三个晚上仔细审查’espace. Le télescope de S ofia a une ré频谱溶液足以辨别嘿的独特光谱标记+, à une fréquence de 2 010,184 gigahertz (dans l’遥远的红外线)。 APRUM.ès une analyse méticuleuse des données récoltées, le résultat a été publié en 2019 : c’在遗体’une é帆布在n的生活结束时ébuleuse planétaire NGC 7027,在天鹅的星座中,那个’équipe de Rolf Güsten a déniché化学签名正在寻找é即很久以前。

当然,嘿离子+ détectéS不是那些’Univers primordial : les composés que Rolf Güsten et ses collègues ont mis en é自然可能été产品更多é它。但这只周期图ée contribue à优化我们对此的了解è这种化学品。它在r的条件下提供指数égnaient dans l’当嘿的原始宇宙+ était le seul composé présent dans l’espace. Cette découverte est é也可能提供有关在哪里的信息ù trouver HeH+ dans l’espace aujourd’hui :科学家们将寻求D’autres nébuleuses plané或在r.égions de l’可见宇宙到目前为止,他们的观察将构成通过的巨大飞跃é.

更困难的问题

我们住了一个è令人兴奋的’杂色化学。三个主要问题刚发现了一个ré在短时间内结论的问题。科学家已经观察到é la première molécule qui s’est formée dans l’宇宙,已经确定了é pour la premiè我的某些化学特化学签名é分布式星际乐队,最后,他们éTect polyclic芳烃碳氢化合物’espace.

此外,新的实验室重建的星际物理条件展示了尼多基的基础ées和amin酸és,分别是基本砖’ADN – ou ARN – et des proté可以形成伊斯。 T.élescopes aéroportés comme 苏菲亚 ou spatiaux tels  哈勃  ou encore le futur 詹姆斯 - 韦伯在S.’弗朗兰特损失损失ées à l’atmosphè陆地,提供有希望的观点’étude spectrale d’恒星物体可能会é留言新的化学签名。

现在只有新的é覆盖有一个réponse à一些问题,d’出现其他问题。星式复表esp.èrent en effet répondre à更困难的问题,就像 : « À quels composés对应另一个出价 ? », « 什么是mol起源éculaires de la vie ? », ou encore « 什么是化学条件nécessaires à计划培训ètes telluriques plutôt que de géantes gazeuses ? ». Le partage d’électrons entre l’hydrogène et l’hélium a engendré la matiè我们知道它。当我们了解这些化学过程更好时,我们将有更精细的设计’天体物理学和’整体历史的’Univers.

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