第一批恆星形成幕後功臣，宇宙最古老分子的化學反應影響力比想像大

宇宙大爆炸最初幾秒溫度、密度極高，隨後 3～20 分鐘迅速冷卻形成氫和氦，之後處於極度熾熱、稠密、不透明的電漿狀態，統稱「早期宇宙」，約 38 萬年後，宇宙進入「黑暗時期」開始形成中性原子。

而最近研究發現，氦合氫離子（HeH⁺）與中性氫、氘的反應速率並不會隨著溫度降低（宇宙逐漸冷卻）而減慢，顯示其對宇宙早期化學反應與恆星形成的重要性超出預期。

在進入黑暗時期前，宇宙是團極熾熱、稠密的電漿「湯」，充滿自由質子、電子和光子，但光子因不斷被自由電子散射，無法直線傳播，所以宇宙完全不透明，我們至今都無從看見這段期間的宇宙樣貌。

大爆炸後約 38 萬年宇宙進入「黑暗時期」，此時宇宙溫度終於冷卻到質子、電子可以結合形成中性氫原子（該過程稱為復合），光子也不再被電子散射而能自由傳播，這些被釋放出的古老光芒就是宇宙微波背景輻射（CMB），也是人類目前觀測宇宙樣貌的極限。

然而第一批恆星和星系在黑暗時期仍未形成，此時整個宇宙彌漫幾乎均勻的中性氫氣和氦氣雲，以及看不見的暗物質。

氦氫化離子（HeH⁺）是宇宙最古老分子，也是一連串連鎖反應源頭，最終形成至今宇宙最常見的分子氫（H₂），這些簡單分子在黑暗時期（大爆炸後 38 萬年～4 億年）對早期恆星的形成至關重要，它們是當時僅有的有效冷卻劑，負責冷卻氣體雲促進塌縮。

由於明顯的偶極矩，HeH⁺ 離子在低溫下仍能有效促進冷卻，長期被認為是第一顆恆星形成的重要人物，或者說宇宙 HeH⁺ 離子濃度可能明顯早期恆星形成的有效性。

與游離氫原子的碰撞是 HeH⁺ 離子主要降解途徑，能形成中性氦原子和 H₂⁺ 離子，隨後再與另一個氫原子反應形成中性 H₂ 分子。

最近，德國馬克斯·普朗克核物理研究所團隊首次在類似早期宇宙的條件下，成功再現此反應過程，研究 HeH⁺ 離子與氘（氫同位素）反應後，發現會形成 HD⁺ 離子而不是 H₂⁺，同時生成中性氦原子。

且與之前預測相反，HeH⁺ 離子與氘的反應速率並不會隨溫度降低而減慢，而是幾乎保持恆定，表明 HeH⁺ 與中性氫、氘的反應對早期宇宙化學重要性遠超以往假設。

過去的宇宙學模型可能低估 HeH⁺ 在早期宇宙冷卻的作用，新實驗數據能幫助改善早期宇宙化學模型，使其更準確描述大爆炸後幾十萬年內物理和化學過程。

此外，研究結果也代表早期氣體雲可能比以前想像更快達到塌縮所需低溫，從而加速首批恆星形成過程。

新論文發表在《天文與天體物理學報》（Astronomy & Astrophysics）。

• Chemistry at the beginning: How molecular reactions influenced the formation of the first stars

（首圖來源：AI 生成）

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