Nye målinger antyder en dramatisk højere forekomst af heliumhydridioner i det tidlige univers

Fysikere rapporterer de første laboratoriemålinger af elektronreaktioner med heliumhydridioner i den kryogene lagerring CSR ved Max Planck Institute for Nuclear Physics i Heidelberg. Ved temperaturer ned til 6 K, reaktionshastighederne, der ødelægger molekylet, viste sig at være signifikant lavere sammenlignet med tidligere målinger ved stuetemperatur. Dette udmønter sig i en stærkt forstærket overflod af dette urmolekyle, der fungerer som et kølemiddel for den første stjerne- og galaksedannelse i det tidlige univers.

Bare tre minutter efter Big Bang, den kemiske sammensætning af universet var afgjort:75 procent brint, 25 procent helium, og spormængder af lithium, alt sammen skabt ved primordial nukleosyntese. Imidlertid, i denne tidlige tilstand, alt stof var fuldt ioniseret, bestående af frie bare kerner og en varm elektrongas, et "tåget" plasma til den kosmologiske baggrundsstråling.

Omkring 400, 000 år senere, det ekspanderende univers kølede ned til et niveau, hvor elektroner og kerner begyndte at kombineres til neutrale atomer. Rummet blev gennemsigtigt, men ingen stjerner var endnu født; dermed, denne æra kaldes "den mørke middelalder". Da temperaturen faldt yderligere, kollisioner af neutral helium med stadig rigelige frie protoner dannede det første molekyle - heliumhydridionen (HeH⁺), som markerer kemiens begyndelse. HeH+ og andre tidlige molekylære arter spillede en væsentlig rolle i afkøling af primordiale gasskyer via infrarød emission, et nødvendigt skridt for stjernedannelse.

Forståelsen og modelleringen af ​​de sidstnævnte processer kræver en detaljeret viden om mængder og reaktionshastigheder af de relevante molekyler. Imidlertid, information indtil nu har været ret begrænset, især i lavtemperaturregimet ( <100 K) af den sene mørke middelalder, omkring 300 millioner år efter Big Bang, da de første stjerner blev dannet. For ganske nylig, HeH⁺ blev opdaget i vores galakse ved at detektere dens fjern-infrarøde emission.

Mængden af ​​HeH⁺ er kritisk bestemt af destruktive reaktioner. Ved lave temperaturer, dette er domineret af såkaldt dissociativ rekombination (DR) med frie elektroner:en gang neutraliseret af en elektronindfangning, heliumhydrid dissocieres i helium- og brintatomer. Tidligere tilgængelige resultater i datatabeller for reaktionshastighederne var baseret på laboratorieforsøg ved stuetemperatur. Under disse forhold, molekylerne er i stærkt exciterede rotationstilstande, der var mistænkt for at påvirke elektronindfangningsprocesserne.

For at få indsigt i lavtemperaturadfærden, fysikere fra afdelingen af ​​Klaus Blaum ved Heidelberg Max Planck Institute for Nuclear Physics (MPIK) undersøgte kollisioner af HeH⁺ med elektroner ved instituttets kryogene lagerring CSR. Dette unikke anlæg blev designet og bygget til laboratorieastrofysik under rumlignende forhold med hensyn til temperatur og tæthed. CSR giver et miljø med temperaturer under 10 K og et fremragende vakuum (observeret ned til <10⁻¹⁴ mbar). Forskerne studerede rekombinationen ved hjælp af et elektronmål, hvori den lagrede ionstråle er nedsænket i en co-forplantende elektronstråle over en afstand på omkring en meter (figur 1). De relative hastigheder kan tunes ned til nul, som giver adgang til meget lavkollisionsenergier. Reaktionsprodukterne fra elektron-ion-interaktionszonen detekteres nedstrøms, giver således absolutte reaktionshastigheder (figur 1).

Ved en temperatur på 6 K inde i CSR, forskerne observerede, at de lagrede HeH⁺-ioner kølede ned til den roterende jordtilstand inden for få 10 sekunder. Under denne radiative afkølingsproces, forskerne fulgte populationen af ​​de enkelte rotationstilstande og udtog den statsselektive DR-sandsynlighed (figur 2).

"Vi finder, at elektronrekombinationshastighederne for de laveste rotationsniveauer af HeH⁺ er op til en faktor på 80 under værdierne givet i datatabellerne indtil videre, " siger Oldřich Novotný, hovedforsker af forsøget. "Dette dramatiske fald skyldes i høj grad de lavere temperaturer, der blev brugt i vores laboratoriemålinger. Det udmønter sig i en stærkt forstærket overflod af dette primordiale molekyle i æraen med første stjerne- og galaksedannelse."

Det nye resultat, nu forsynet med hidtil usete detaljer, er af stor relevans for både forståelsen af ​​selve reaktionen samt for modelleringen af ​​det tidlige univers. For kollisionsteori, HeH⁺ er stadig et udfordrende system. Her, målingerne er med til at benchmarke teorikoderne. De eksperimentelle DR-reaktionshastigheder, nu tilgængelig for forskellige elektronenergier og rotationstilstande, kan oversættes til de miljøegenskaber, der anvendes i modelberegninger for urgassens kemi. Dette og fremtidige undersøgelser ved hjælp af CSR giver bredt anvendelige data. I betragtning af den forestående opsendelse af James Webb-rumteleskopet, laboratorieastrofysikkens nye evner er særligt aktuelle, siden sin søgen efter de første lysende objekter og galakser efter Big Bang vil have stor gavn af pålidelige forudsigelser om tidlig universkemi.