宇宙最早分子鍵是怎麼檢測到的？靠一架硬核波音747

圖片來源：sofia

記者 | 潘金花

大爆炸之後的宇宙，是否真的如我們所想，由氦與氫碰撞后形成了恆星、行星、乃至地球上的一切生命？科學家在一架改裝后的波音747上找到了肯定的答案。

4月17日，《自然》雜誌發表了一項天體物理學重要成果，科學家首次在太空中檢測到了被認為是宇宙首個分子鍵的氦合氫離子HeH+，為一項長達幾十年的研究畫上了圓滿的句號。

在天體物理學研究中，氦與氫被認為是宇宙大爆炸后最早形成的原子，它們碰撞后形成的宇宙首個化學反應產物HeH+被認為是宇宙演化的一個重要起點。研究團隊在《自然》雜誌中這樣形容這一發現：“儘管HeH+對於今日的地球意義有限，但正是這個離子開啟了宇宙的一切化學反應。”

早於氫分子出現的HeH+被認為是宇宙中最強的酸，可以與任何與其碰撞的物質結合，觸發新分子的形成。1925年，科學家首次在實驗室證明了HeH+的存在，1970年代末，科學界開始探討這個神秘離子存在於近域等離子體天體的可能性。科學家認為，恆星誕生前與衰亡后的星雲狀態與早期宇宙的條件相近，有較大可能發現HeH+，但他們一直未能在太空中檢測到它的存在。

如今，科學家終於在距地3000光年的NGC 7027星雲找到了HeH+的蹤跡。NGC 7027星雲位於天鵝座，形成僅600年，中央是一顆剛開始冷卻、溫度仍極高的白矮星，向外膨脹的氣體殼層形成了星雲。

其實早在1970年代，科學家就已經認為NGC 7027星雲有望找到HeH+，但卻遲遲未能揭開它的面紗。根據量子力學理論，分子均可發射特定波長的輻射，其物理量可供實驗室測量與計算，因此，科學家可以根據光譜學，利用分光計來確定HeH+的存在。

但由於HeH+發射的紅外線波長處於極易被地球大氣層水蒸氣吸收的波段，地基望遠鏡無法滿足觀測需求，科學家必須在另一個地方捕捉HeH+的身影——天上。

為此次宇宙最遠古分子鍵的成功檢測立下大功的正是一架經過改裝的波音747SP，它是一個平流層紅外天文觀測台（Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy，簡稱SOFIA）。

SOFIA由美國國家航空航天局（NASA）與德國航空航天中心（DLR）合作建造，其中裝有直徑2.7米（有效直徑2.5米）的反射望遠鏡，可飛至38000英尺（11582米）至45000英尺（13716米）的高空，高於99%可吸收紅外線的地球大氣層。

飛機上的高解析度分光計GREAT是檢測HeH+的關鍵。GREAT的全稱是“德國太赫茲天文接收器（German REceiver for Astronomy at Terahertz Frequencies）”，可觀察光譜範圍為0.06-0.60毫米，適用於輻射波長為0.149毫米的HeH+。

在2016年5月的3次飛行中，研究團隊將GREAT對準了NGC 7027星雲，之後，團隊對收集到的數據進行了詳細的分析，最終驚喜地發現了HeH+的存在，為天文學家一直以來對宇宙形成的理解提供了極具分量的佐證。

該研究第一作者、德國馬克斯·普朗克射電天文研究所天文學家拉爾夫·古斯滕（Rolf Güsten）表示，此次檢測的準確率極高。他說，“如果無法在近域宇宙證明HeH+的存在，我們對早期宇宙化學構成的理解便一直存在疑問，這一發現讓這些疑慮煙消雲散。”

在該研究另一位作者、約翰·霍普金斯大學物理及天文系教授大衛·紐菲爾德（David Neufeld）看來，這一發現“震撼且美麗”，“哪怕可用的成分非常有限，只有氫和惰性的氦，溫度還高達上千攝氏度，這個脆弱的分子依然誕生了。”

布魯塞爾自由大學的氦合氫離子領域學者熱羅姆·洛羅（Jérôme Loreau，未參與此次研究）也對此激動萬分，他說，“我們終於找到了構成分子宇宙的其中一塊基石。”