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先别激动!宇宙中形成的第一个分子,真的被找到了吗?

时间:2020-03-11 15:12:06 作者: 来源:51区未解之谜网 手机阅读

,放轻松!宇宙中形成的第一个分子真的被发现了吗?

天文学在线

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宇宙中第一个分子最初形成时就存在了。我们以为我们找到了一个完全一样的,但两者完全不同。

宇宙中的第一个分子终于被观测到了!在美国国家航空航天局的平流层红外观测台(索非亚)观测到氢化氦后,新闻标题一个接一个地报道了氢化氦,这是迄今为止最难捕捉的物质。这份报告的一部分完全正确。氢化氦是古代宇宙中形成的第一个分子,这是首次在太空中观察到氢化氦,而不是在地面实验室中合成。

但本报告的其他部分不正确。我们这次观察到的氢化氦不是在早期宇宙中形成的。事实上,早期宇宙中形成的氢化氦分子早就被摧毁了。我们从未观察到它们,也许永远也不会

说明了物质(上部)、辐射(中部)和宇宙常数(下部)如何在膨胀的宇宙中随时间演变。随着宇宙的膨胀,物质的密度降低,由于波长的延长,辐射也会降低到较低的能量水平。(西格尔/超越银河系)

试着想象宇宙是在大爆炸之后形成的当我们观察今天的宇宙时,我们会看到一个巨大的物质网络以各种形式聚集在一起,比如恒星、星系和星云。通过观察向后移动且速度更快的遥远星系和星云,我们可以证明宇宙正在膨胀。此外,我们还观察到宇宙充满了指向各个方向的低能辐射。

这意味着随着时间的推移,宇宙将变得:

更大,更空的物质,更多凝聚的物质和更低的温度

当然,如果随着时间的推移,上述过程将被逆转说明

:对宇宙形成的描述可分为高密度和高温状态,称为“大爆炸”,以及其后物质和宇宙结构的形成和增长。我们所有的观测数据,包括可见光成分和宇宙背景微波辐射,使得大爆炸成为我们观测结果的唯一解释。随着宇宙的膨胀,温度降低,离子和中性原子形成。然后形成分子、气团和恒星,最终形成星系。我们今天看到的是大爆炸后138亿年的宇宙。但是当我们观察深空时,我们看到的是一个更早的宇宙。换句话说,我们看到了过去最早的星系比我们现在的星系更小、更蓝,并且包含更少的重元素。经过几代恒星的形成和衰变,这些早期星系变成了我们今天看到的样子。

事实上,我们仍然可以回到更早的时间:那时没有行星或星系被创造出来。在大爆炸后的数千万年里,重力没有足够的时间将新产生的中性原子聚集在一起形成气团,也就是说,它没有时间形成核聚变。这一时期唯一的核聚变发生在大爆炸的最开始,温度和密度都非常高,形成氢、氦和其他微量元素。图

:根据大爆炸核合成理论,宇宙中会形成大量的氦-4、氘和锂-7。我们确实在红色圆圈中观察到了这些元素。整个宇宙中75-76%的元素是氢,24-25%是氦,一小部分是氘和氦-3,还有少量的固态锂元素。每种元素都是在完全电离的状态下形成的,但是电荷更多的原子核比最小的氢原子核更容易捕获电子。事实上,在我们宇宙形成的最初几分钟发生核聚变后,需要数千万年才能冷却到中性原子能够稳定形成的温度。在此之前,宇宙中的光子包含了足够的能量来将所有的电子从原子核中击出。

包含75%的氢、25%的氦和微量的氘、氦-3和锂。随着宇宙冷却下来,我们迎来了创造的时刻,所有光子的能量——包括那些电离宇宙中原子的光子——都会减少。结果,处于不同重量和电荷的电离态的原子核开始捕获电子图

:虽然原子核是在宇宙诞生的最初几分钟形成的,但当时宇宙的温度非常高。直到冷却了数千万年后,电子才能够稳定地与原子核结合,而不是立即被电离。各种元素的原子核捕获电子的速度由它们的电荷量和电子轨道决定。

开始时,所有物质都处于电离状态,所有氦和氢原子核都没有电子。

大约32000年后,宇宙冷却到第一个氦核捕获电子的温度。但是请记住,氦原子对外界来说是中性的,它有两个电子,所以氦原子此时只形成了一半。

又花了10万年。当宇宙大约有132,000岁的时候,氦核能够稳定地捕获第二个电子,我们的第一个稳定的中性原子氦原子就形成了。然而,氦原子很难与其他原子结合:氦是一种简单的物质,惰性气体图

显示元素周期表中第1族元素,特别是锂、钠、钾、铷等。,很容易失去它们的第一个电子。氢比氦更容易电离。氦的完全电离需要4倍于氢的完全电离的能量。直到宇宙达到380,000岁,单个质子和原子才能够相互结合形成氢原子氢原子也可以很容易地相互结合形成分子氢(H2),这是我们大家都熟悉的。

,但在此之前,当第一个原子形成时,有一个中间状态——在稳定的氦原子形成之后,但氢核仍被电离记住,原子被定义为在两个原子或离子之间包含稳定的分子键你可能更熟悉对外界呈中性的稳定分子(如氧O2),但原子-离子对也包含分子键,如离子态的碳(C+)和原子态的氟(F),它们可以结合形成CF+并在放射性结合时释放光子。

说明当两个原子或分子之间的距离很大时,它们之间不会形成分子键。然而,从能量的角度来看,由于分子态的能量较低,物质往往处于较低的能量状态,它们更有可能以分子键的形式结合,并在形成分子键的过程中释放出光子。因此,氢化氦,即氦原子和氢离子之间形成的分子键,被认为是宇宙中形成的第一个分子键

当宇宙处于中间状态时,也就是说,已经形成了对外界是中性的氦原子,但是所有的氢仍然处于电离状态(H+),这两个粒子可以以放射性方式结合并释放出光子。当氦原子与氢离子碰撞时,它们会形成氢化氦(HeH+),释放出代表其分子键能量的光子。

虽然化学方面的新闻不如物理和天文学方面的新闻那么受欢迎,但是像氢化氦这样的化合物已经被研究了相当长的时间。早在1925年,一个化学实验室就合成并发现了氢化氦。理论上,它也存在于星际空间:在早期,它的形成代表了宇宙中的第一个分子;后来,它在一个天体物理过程中形成,在氦原子存在的区域形成氢等离子体。说明

:当像太阳这样的恒星进入生命的最后时刻,它会把它的外层物质抛向太空,形成像鸡蛋星云那样的原行星星云。在这个空间里,氦原子(he)和电离氢离子(H+)同时存在,所以在这个空间里可能会形成含有一个分子键的氦氢离子(HeH+)在

早期宇宙中形成的氢化氦在氢原子形成时已经被摧毁。就能量而言,氢元素比氦离子更倾向于形成中性氢分子一旦温度下降到一定值,氦氢离子将与氢原子反应,形成氢分子()和单个氦原子(氦)因此,宇宙中的第一类分子并不存在很长时间。当宇宙在5万年前形成时,它们都被毁灭了。

但是后来,在现在的宇宙中,氢化氦仍然存在:在太阳恒星死亡时形成的电离等离子体中。有足够的温度使氢原子和从恒星表面喷射出的大量氦原子电离。这个原行星星云是形成氢化氦的理想场所。图

:原始行星星云NGC7027长期以来被认为是氦氢离子(HeH+)形成的理想场所,但长期观测结果与之相反。尽管原行星星云作为形成氦氢离子(HeH+)空间的理论已经提出了很长时间,但观测结果从未得到证实。这部分是由于其分子键旋转合成中释放的低能量:光子能量为149.1微米,使其位于光谱的远红外波段

在地面上,无法观察到大气造成的衰减我们发射的太空望远镜,如赫歇尔和斯皮策望远镜,不具备相应的观测能力。此时,美国宇航局的索非亚刚刚开始运行,在离地面45,000英尺(13,716米)的高空运行。由于它将在运行后返回地面,上述设备可以很容易地升级。这一次,天文学家需要升级德国制造的太赫兹频率接收器插图

:美国航天局的索非亚望远镜安装在一架改装的波音747SP宽体客机上,是专为超高和高质量的远红外观测而设计的。同时,其设备易于维护和升级。这项研究首次发现氦氢离子(HeH+)确实存在于宇宙中。根据发表在《自然》杂志上的最新研究,当用最新的设备观察NGC7027时,科学家们只看到氦氢离子(HeH+)产生时释放的能量信息。

"当在仪器上首次观察到氦氢离子(HeH+)时,真是令人兴奋。它给了我们长期研究的好结果,并解决了早期宇宙中的一些化学问题。“这是我们第一次获得氢化氦可以在宇宙中形成和存在的第一手证据。说明

:美国航天局的平流层红外观测台配备了一个可移动的望远镜罩。美国航天局和德国航天中心的这个联合项目使我们能够把这个先进的红外天文台带到世界的任何角落,从而使我们能够在任何地方观察天文事件。

在本研究中得出的结论使我们认识到地面天文台和空间望远镜之间的巨大潜力。太空望远镜不会受到地球大气层的干扰,地面观测站也不会受到发射规模和成本的限制,同时设备也可以维护和升级。

正如索非亚科学中心经理哈尔·约克所说,像索非亚这样的设备利用了上述两种天文台。“这种分子已经隐藏在我们周围很长时间了。我们只需要在合适的位置用合适的仪器来观察它——SOFIA是最合适的仪器。”氢化氦

被认为是宇宙中第一个形成的分子,但在此之前我们还没有见过它的自然存在。但最终,我们得到了它存在的证据,并进一步证明了宇宙进化成今天这个样子的过程。

参考

1。维基百科全书

2。天文术语

翻译:冉

作者:伊森·西格尔

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