>文化>>正文

终于找到了宇宙中的第一种分子

原标题:终于找到了宇宙中的第一种分子

插图展现了行星状星云NGC 7027和氦化氢分子。在这个行星状星云中,SOFIA探测到氦化氢,它是氦(红)和氢(蓝)的结合,是早期宇宙中形成的第一种分子。这是第一次在现代宇宙中发现氦化氢。

Credits: NASA/SOFIA/L. Proudfit/D.Rutter

经过数十年的探索,人们首次在太空中探测到第一种在宇宙中形成的分子。科学家利用世界上最大的机载天文台(airborne observatory),NASA的同温层红外线天文台(Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy,SOFIA),在我们自己的星系中发现了它的信号。

宇宙很年轻时,只有几种原子存在。科学家认为,大爆炸(the big bang)后大约10万年,氦和氢结合起来,首次制造出一种叫氦化氢(Helium hydride)的分子。现代宇宙中应该存在氦化氢,但直到现在才被发现。

SOFIA在行星状星云(昔日像太阳一样的恒星的“残骸”)NGC 7027中发现了现代氦化氢。NGC 7027距天鹅座(constellation Cygnus)3000光年,具有允许这种神秘分子形成的条件。这一发现证明了氦化氢实际上可以存在于太空中,同时也证实了我们对早期宇宙化学的基本理解的关键部分,以及它如何在数十亿年后演变成今天这般复杂的化学结构。研究结果发表在本周的《自然》杂志上。

“这种分子潜伏在那儿,我们需要正确的仪器在适当的位置进行观测,SOFIA就完美地做到了,”SOFIA科学中心(位于加州硅谷)主任Harold Yorke说道。

今天,宇宙充满了大而复杂的结构,例如行星、恒星和星系。但是130多亿年前(大爆炸之后),早期的宇宙很热,只有几种原子,主要是氦和氢。当原子结合形成分子时,宇宙才能够冷却并开始形成其他结构。科学家推断,氦化氢是第一个原始分子。

冷却开始后,氢原子便可以与氦化氢相互作用,从而产生分子氢——主要负责形成第一波恒星的分子。恒星继续制造更多元素,构成我们今天化学结构丰富的宇宙。但问题是,科学家们无法在太空中找到氦化氢。直到现在,化学诞生的第一步终于得到证实。

“数十年来,星际空间中缺乏氦化氢存在的证据一直是天文学中的困境,”马克斯普朗克射电天文研究所(Max Planck Institute for Radio Astronomy,位于德国波恩)的Rolf Guesten说,他是该论文的第一作者。

氦化氢是一种“很难搞”的分子。氦本身是一种惰性气体,因此不太可能与任何其他种类的原子结合。但是在1925年,科学家们通过诱导氦气与氢离子共享其中一个电子,能够在实验室中创造出这种分子。

后来,在20世纪70年代后期,研究NGC 7027的科学家认为这种环境可能恰好形成氦化氢。来自“老去恒星”的紫外线辐射和热量刚好提供了条件。但他们的观测结果并无定论。随后的研究暗示该分子的存在,但一直检测不到。所使用的太空望远镜没有特定的技术,未能从星云中其他分子的混合物中提取出氦化氢的信号。

2016年,科学家们向SOFIA寻求帮助。SOFIA的飞行高度达到14公里,在地球大气层上方进行观测。但不同于太空望远镜的优势在于,它在每次飞行后会返回。

“我们能够更换仪器并安装最新技术,”SOFIA副项目科学家Naseem Rangwala表示,“这种灵活性使我们能够改进观测并回应科学家最迫切的问题。”

最近SOFIA上升级的一种仪器称为German Receiver at Terahertz Frequencies (或GREAT),上面增加了以前望远镜没有的氦化氢的特定频道。该仪器像无线电接收器一样运作:科学家们调整正在搜索的分子的频率,类似于用调频收音机找电台。当SOFIA进入夜空时,科学家们正在实时读取仪器中的数据。终于,氦化氢的信号清晰地出现了。

“第一次在数据中看到氦化氢是非常令人兴奋的,”Guesten说,“这为长期的搜索带来了一个欢乐的结局,并消除了我们对早期宇宙中基础化学的理解的疑虑。

机载天文台SOFIA的科学家发现了宇宙中形成的第一种分子。他们在天鹅座附近的行星状星云中发现了氦和氢的化合物,称为氦化氢。这一发现证实了我们对早期宇宙化学的基本理解的关键部分,以及它如何在数十亿年后演变成今天这般复杂的化学结构。

Credits: NASA/Ames Research Center

SOFIA,即同温层红外线天文台,是一架波音747SP喷气客机,经过改装后可以携带直径67米的望远镜。这是NASA和德国航空太空中心(DLR)的联合项目。NASA的艾姆斯研究中心(Ames Research Center,位于加利福尼亚州硅谷)与大学空间研究协会(Universities Space Research Association,总部位于马里兰州哥伦比亚)以及斯图加特大学的德国SOFIA研究所(DSI)合作管理SOFIA项目、科学、和任务运营。该航天器由NASA的阿姆斯特朗飞行研究中心(Armstrong Flight Research Center,位于加利福尼亚州帕姆代尔)维护和运营。

参考:

https://www.nasa.gov/feature/the-universe-s-first-type-of-molecule-is-found-at-last/返回搜狐,查看更多

责任编辑:

声明:该文观点仅代表作者本人,搜狐号系信息发布平台,搜狐仅提供信息存储空间服务。
阅读 ()
投诉
免费获取
今日搜狐热点
今日推荐