宇宙初期，化學(xué)是怎樣誕生的?數(shù)十年前，就有科學(xué)家提出，氦合氫離子(HeH )是宇宙中的第一個化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物，但科學(xué)家一直無法證實(shí)該物質(zhì)存在于宇宙環(huán)境中。終于，在最新的《自然》雜志中，科學(xué)家從行星狀星云NGC 7027中探測到HeH ，這是人們首次在宇宙中探測到這種離子。

從古至今，總有一些基本問題隱藏了很深的科學(xué)道理，比如先有蛋白質(zhì)還是先有核酸(遺傳物質(zhì))?要回答這個問題，必須要用演化論的眼光，追溯到生命起源的最初時刻。

當(dāng)然，打開元素周期表，類似的問題還有很多，比如恒星給我們造就了鐵，超新星給我們造就了金。那么一直朝宇宙早期追溯，一個類似的問題就浮現(xiàn)出來：“先有氫還是先有氦?”

在元素周期表中，第1號元素氫以及第2號元素氦的地位非常特別。在任何單位，1號與2號都是激烈的競爭者。

先有氫還是先有氦?

這個問題還真是蠻重要的。當(dāng)然了，這個問題的答案還得分成兩部分來說。

對于氫原子核與氦原子核來說，在宇宙大爆炸早期，存在一個“原初核合成”階段。在這個階段，首先產(chǎn)生氫原子核，然后再有氦原子核。

氫原子核其實(shí)就是質(zhì)子，質(zhì)子的質(zhì)量1.6726231 × 10-27 kg，如果用愛因斯坦的質(zhì)能方程E=MC2來換算，質(zhì)子的質(zhì)量是938百萬電子伏特，而每一個電子伏特大概相當(dāng)于1萬攝氏度。因此，只要宇宙的溫度降低到9 380 000百萬攝氏度的時候，質(zhì)子就會在宇宙中產(chǎn)生。通過與宇宙大爆炸一開始的普朗克能標(biāo)做比對，根據(jù)宇宙早期輻射為主的特點(diǎn)，可以計(jì)算出氫核(質(zhì)子)是在宇宙大爆炸后1秒鐘的時候就形成了。

而氦原子核是在宇宙大爆炸后3分鐘才開始形成的。

所以，氫原子核的出現(xiàn)要早于氦原子核。而我們知道，元素的地位是由原子核的地位決定的，所以在這個意義上，氫先于氦出現(xiàn)。

當(dāng)然，事情并沒有那么簡單——化學(xué)家不這樣看。因?yàn)閷瘜W(xué)家來說，原子更重要，光看原子核是不行的。

對于氫原子與氦原子來說，它們不但有原子核，還需要結(jié)合電子才可以形成原子。出人意料的是，在宇宙大爆炸的早期，氦原子的形成要早于氫原子的形成。

對于宇宙早期發(fā)生的天文現(xiàn)象，天文學(xué)家觀測到的是光譜線。而宇宙是在膨脹的，所以越是宇宙早期的天文現(xiàn)象，其相對應(yīng)的光譜波長越容易被宇宙膨脹所拉長，產(chǎn)生所謂的“紅移”現(xiàn)象。

所以知道了“紅移”，也就知道了宇宙學(xué)意義上的“時間”，宇宙學(xué)家經(jīng)常用紅移來標(biāo)記時間。比如宇宙誕生后38萬年，光子開始變得自由，最后形成今天看到的宇宙微波背景輻射。宇宙誕生后38萬年，按照宇宙學(xué)家的說法，也就是紅移1100的時候。

香港科技大學(xué)物理系的王一老師在接受《環(huán)球科學(xué)》采訪時表示：“中性的氦原子是在紅移約2000的時候出現(xiàn)的，而中性的氫原子在紅移1100的時候出現(xiàn)。”

中性氫原子出現(xiàn)的時間，也就是宇宙微波背景輻射出現(xiàn)的時間——那時候就是宇宙38萬歲的時候，也就是紅移1100的時候。

紅移的數(shù)值越大，表示距離現(xiàn)在的時間越久遠(yuǎn)，也意味著這個原子出現(xiàn)的時間越古老。氦原子光譜的紅移比氫原子更大，氦原子才是宇宙中第一個出現(xiàn)的原子。

當(dāng)然，我們也可以用量子力學(xué)來解釋為什么氦原子會比氫原子更早在大爆炸核合成過程中出現(xiàn)：氦離子He2 和He 具有比H 更高的電離勢，所以它們可以率先與自由電子結(jié)合，形成第一個中性原子。

以上就是整個事情的兩個側(cè)面。

HeH 是宇宙中第一個分子?

我們有了氫與氦，這相當(dāng)于宇宙中的物質(zhì)有了基礎(chǔ)材料，后面的故事就更多了。這些材料間的第一次化學(xué)反應(yīng)是怎樣進(jìn)行的，它的產(chǎn)物是什么?

20世紀(jì)70年代，就有天文學(xué)家提出，中性氦原子與質(zhì)子結(jié)合形成氦合氫離子(HeH )，這正是宇宙化學(xué)反應(yīng)的開端。

HeH 看起來很簡單，它就是一個氦原子結(jié)合一個質(zhì)子形成的。這叫做分子離子——因?yàn)樗雌饋硐穹肿樱鋵?shí)是一個離子。但科學(xué)家認(rèn)為HeH 比氫分子更早在宇宙中出現(xiàn)，所以在理論上它是宇宙中第一個分子離子。

早在1925年，化學(xué)家霍格內(nèi)斯(T。 R。 Hogness)與倫恩(E。 G。 Lunn)在就地球?qū)嶒?yàn)室中合成出這種分子離子。但在宇宙中，科學(xué)家始終沒有發(fā)現(xiàn)HeH 的蹤跡。

近100年過去了，到了2019年4月17日，科學(xué)家終于取得了突破：美國航空航天局(NASA)與德國航空航天中心的聯(lián)合項(xiàng)目——同溫層紅外觀測臺(SOFIA)的高分辨率GREAT分光儀，檢測到HeH 發(fā)射的紅外線。這一結(jié)果發(fā)表在《自然》雜志上。

HeH 在宇宙中被找到了!

能證明HeH 來自宇宙早期嗎?

本次對HeH 的天文發(fā)現(xiàn)是由德國馬克斯·普朗克射電所的拉爾夫·古斯滕(rolf Güsten)等人完成的。他們依靠的是同溫層紅外觀測臺(SOFIA)的高分辨率GREAT分光儀。

這些分光儀的數(shù)據(jù)是在2016年5月同溫層紅外觀測臺(SOFIA)在飛機(jī)上飛行3次后得到的。通過這些數(shù)據(jù)可以分析出NGC 7027星云中存在HeH 。

不過，這次探測到的氦合氫離子雖然是在宇宙中，但一定不是在宇宙極早期形成的。

為什么會這樣呢?因?yàn)楸敬翁綔y到HeH 的NGC 7027星云中距離我們地球只有3000光年，這在宇宙學(xué)意義上來說是一個很近的距離。而且本次觀測到的HeH 的譜線紅移等于零，所以它絕不是來自于宇宙早期。前面已經(jīng)說到，如果是宇宙早期出現(xiàn)的HeH ，那么其紅移應(yīng)該介于1100(氫原子出現(xiàn))與2000(氦原子出現(xiàn))之間，接近于宇宙微波背景輻射的紅移。

拉爾夫·古斯滕在論文中提到的NGC 7027是一個年輕的星云，他們認(rèn)為其條件類似于早期宇宙的物理?xiàng)l件，因此這在一定程度上也可以證明早期宇宙中也有HeH 存在——不過這理由看起來似乎有點(diǎn)勉強(qiáng)了。

如果想要證明早期宇宙中確實(shí)存在HeH ，那么必須要探測到高紅移的HeH 譜線。

所以，HeH 雖然在宇宙中被找到了，但要說它是宇宙中第一個分子，還需要證明它真的很老——需要找到HeH 的高紅移譜線才行。

宇宙中最強(qiáng)的酸

既然在宇宙中已經(jīng)找到了HeH ，那么它到底是一種什么樣的物質(zhì)呢?化學(xué)家猜測，它可能是宇宙中最強(qiáng)的酸。

HeH 是由氦原子和質(zhì)子構(gòu)成，而在這個結(jié)構(gòu)中質(zhì)子是完全裸露的，這使HeH 能夠結(jié)合任何與它碰撞的物質(zhì)分子中的電子——這就表現(xiàn)出極大的酸性。

盡管目前還不能確認(rèn)HeH 是不是宇宙中的產(chǎn)生的第一個分子，但這次發(fā)現(xiàn)仍然是一個積極信號，這說明HeH 確實(shí)可以在星際空間中存在。而HeH 是形成氫分子的祖宗，它也為在星際空間中尋找中性氫提供了一個有價值的線索。

無論怎么樣，這都是科學(xué)的勝利。