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行星星云NGC7027中氦氢离子的结构。

起源:世界科学

张华

化学是如何在世界早期诞生的？几十年前，科学家们提出氦氢离子(HeH+)是世界上第一个化学反应产物，但科学家们一直无法证明这种物质存在于世界环境中。最后，在最新的《自然》杂志上，科学家们从行星状星云NGC7027中探测到了HeH+，这是世界上第一次有人探测到这种离子。

从古至今，一直存在一些隐藏着深刻科学原因的基本问题，如蛋白质或核酸(遗传物质)是否首先存在？为了回答这个问题，有必要从进化论的角度追溯生命起源的最初时刻。

当然，如果你看元素周期表，有许多类似的问题。例如，恒星为我们制造铁，超新星为我们制造金。一个类似的问题从世界诞生之初就出现了:“是氢先来还是氦先来？”

在元素周期表中，1号元素氢和2号元素氦的位置非常特殊。1号和2号在任何单位都是激烈的竞争对手。

氢是第一还是氦是第一？

这个问题真的很重要。当然，这个问题的答案必须分为两部分。

就氢和氦原子核而言，在世界大爆炸之前有一个“初级核合成”阶段。在这个阶段，首先受到攻击的是氢核，然后是氦核。

氢核实际上是一个质量为1.6726231×10-27千克的质子。如果用爱因斯坦的质量能量方程E=MC2来转换，质子的质量是9.38亿电子伏特，每个电子伏特相当于大约10，000摄氏度。因此，只有当世界温度降至93.8亿摄氏度时，质子才会在世界上攻击。与世界大爆炸的普朗克能量标准相比，根据前世界辐射的特征，可以计算出氢核(质子)是在世界大爆炸后一秒钟形成的。

氦核最初是在世界爆炸后3分钟形成的。

因此，氢原子核比氦原子核出现得早。众所周知，元素的位置是由原子核的位置决定的，所以在这个意义上，氢先于氦出现。

当然，这项工作并不简单——化学家不这么认为。因为原子对化学家来说更重要，所以有必要只看原子核。

就氢和氦原子而言，它们不仅有原子核，还需要结合电子形成原子。令人惊讶的是，在世界大爆炸的早期，氦原子的组成比氢原子的组成要早。

关于世界早期发生的地理现象，地理学家观察到了光谱线。然而，世界正在扩大，所以世界早期的地理现象越多，其相应的光谱波长就越简单，它被世界的扩大拉长的时间就越长，从而造成所谓的“红移”现象。

因此，知道“红移”意味着宇宙学意义上的“瞬间”。世界科学家经常用红移来标记这个时刻。例如，在世界诞生380，000年后，光子最初变得自由，并最终形成了今天看到的世界微波风景辐射。根据世界科学家的说法，世界诞生38万年后，红移是1100。

香港科技大学物理系教师王毅在接受《世界科学》采访时表示:“中性氦原子的红移约为2000，而中性氢原子的红移约为1100。”

中性氢原子出现的时间也是世界微波风景辐射出现的时间——也就是说，世界38岁的时间和红移1100的时间。

红移越大，从现在到那时的间隔越长，原子呈现越老。氦原子光谱的红移大于氢原子光谱的红移，氢原子是世界上第一个原子。

当然，我们也可以用量子力学来解释为什么氦原子比氢原子更早出现在大爆炸核的组成中:氦离子He2+和He+比H+具有更高的电离势，因此它们可以首先与自由电子结合形成第一个中性原子。

这是整个工作的两个方面。

HeH+是世界上第一个分子吗？

我们有氢和氦，这相当于世界上有基本信息的物质，还有更多的故事要讲。这些材料之间的第一次化学反应是如何发生的，它的产物是什么？

20世纪70年代，地理学家提出中性氦原子与质子结合形成氦氢离子(HeH+)，这是世界化学反应的第一步。

HeH+看起来很简单，它是由一个氦原子和一个质子结合而成的。这叫做分子离子——因为它看起来像分子，但实际上是离子。但是科学家认为HeH+比氢分子更早出现在世界上，所以理论上它是世界上第一个分子离子。

早在1925年，化学家霍根斯(T. R .Hogness)和lunn (e)。g .在地球实验室里形成分子离子。但是在世界上，科学家还没有发现HeH+。

将近100年过去了，2019年4月17日，科学家们终于实现了突破:美国国家航空航天局和德国航空航天中心的一个联合项目——热大气层红外观测台(SOFIA)的高分辨率GREAT光谱仪探测到了HeH+发射的红外线。该结果发表在《自然》杂志上。

HeH+已经在世界上找到了！

你能证明HeH+来自世界的早期吗？

HeH+的地理发现是由德国马克斯·普朗克无线电研究所的Rolfgursten等人完成的。他们依靠等温红外观测台的高分辨率大光谱仪。

平流层红外观测台(图片来源:NASAphoto/JimRoss)

这些分光计的数据是在平流层红外观测站于2016年5月在飞机上飞行三次后获得的。通过这些数据，NGC7027星云中的HeH+可以被分离出来。

然而，尽管这次探测到的氦氢离子在世界上，但它们肯定不是在世界的早期形成的。

为什么会这样？由于探测到HeH+的NGC7027星云距离我们的地球只有3000光年，这是宇宙学意义上的一个非常接近的间隔。这次观测到的HeH+红移等于零，所以它肯定不是来自世界的早期。据说，如果HeH+存在于世界早期，它的红移应该在1100(氢原子存在)和2000(氦原子存在)之间，这接近于世界微波背景辐射的红移。

拉尔夫·古登在他的论文中提到的NGC7027是一个年轻的星云。他们认为它的条件与前一个世界的物理条件相似，所以它可以在一定程度上证明HeH+也存在于前一个世界中——但理由似乎有点勉强。

如果我们想证明hHE+确实存在于早期世界，有必要探测到具有高红移的hHE+谱线。

因此，尽管已经在世界上发现了hE+分子，说它是世界上第一个分子，还需要证明它确实很老——它需要找到hE+的高红移谱线。

世界上最强的酸

既然已经在这个世界上找到了HeH+，它是什么样的物质呢？化学家怀疑它可能是世界上最强的酸。

HeH+由氦原子和质子组成，质子完全暴露在这种结构中，这使得HeH+能够与任何与之碰撞的物质分子中的电子结合——这表现出很强的酸性。

虽然还不能承认HeH+是世界上第一个受到攻击的分子，但这一发现仍然是一个活跃的信号，表明HeH+确实存在于星际空间。HeH+是氢分子的祖先，这也为在星际空间寻找中性氢提供了一条有价值的线索。

无论如何，这是科学的成功。

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