在大爆炸后的數(shù)億年間，宇宙一片漆黑。大量的熱氫原子與負(fù)氫離子遍布在整個(gè)宇宙空間。據(jù)我們所知，宇宙的形成起始于原子和離子配對(duì)生成氫分子，后者將氣體云中的熱量排出，使它們能夠逐漸冷卻，從而形成第一批行星。
然而分子氫的形成到底需要多長(zhǎng)時(shí)間？宇宙歷史的這一篇章一直不為人們所知。如今，通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室中再次還原這些早期氣態(tài)云的化學(xué)反應(yīng)，研究人員終于確定了氫原子與負(fù)氫離子在這鍋“原湯”中的結(jié)合速度。這一結(jié)果為天體物理學(xué)家探尋第一批恒星的質(zhì)量提供了有力支持，將恒星質(zhì)量評(píng)估中的不確定性從20倍降到了2倍。
美國(guó)哈佛大學(xué)的理論物理學(xué)家AviLoeb表示，這項(xiàng)試驗(yàn)“排除了對(duì)第一批氣體云的化學(xué)與冷卻速度的理論模擬的一個(gè)最主要的不確定性”。Loeb說(shuō)，如今，理論學(xué)家對(duì)于化學(xué)反應(yīng)有了一個(gè)更好的理解，他們可以將這些信息輸入計(jì)算機(jī)模型，從而探究第一批恒星的特性。
文章作者之一、哥倫比亞大學(xué)天體物理學(xué)實(shí)驗(yàn)室的研究人員DanielSavin指出，盡管氫原子與負(fù)氫離子的結(jié)合只是一個(gè)“令人驚訝的簡(jiǎn)單反應(yīng)，但對(duì)它的理解卻相當(dāng)匱乏”，這是因?yàn)楹茈y在實(shí)驗(yàn)室中生成這兩種元素。為了使這一切成為可能，Savin和他的同事，包括現(xiàn)今在美國(guó)伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校任職的HolgerKreckel，首次制造出一個(gè)負(fù)氫離子束，并將其送入一段管道。隨后，這束負(fù)氫離子通過(guò)一個(gè)腔室，在這里一束激光將7%的負(fù)氫離子的額外電子敲掉，從而讓混合的氫原子與負(fù)氫離子在管道的更遠(yuǎn)處彼此反應(yīng)。在該儀器的最末端，研究人員統(tǒng)計(jì)了這一反應(yīng)到底生成了多少氫分子。
Savin表示：“結(jié)果表明分子氫的形成速度要快于之前的估計(jì)。”他說(shuō)：“這可能也意味著第一批恒星的形成要快于之前的預(yù)測(cè)。”搞清反應(yīng)發(fā)生的速度是非常重要的，但是還不足以確定第一批恒星的質(zhì)量。Savin說(shuō)：“這是因?yàn)槲覀儾⒉淮_切知道第一批恒星生成時(shí)的初始條件，我們還沒(méi)有確實(shí)地了解質(zhì)量的分配情況。”
在一篇相關(guān)的評(píng)論文章中，美國(guó)奧斯汀市得克薩斯大學(xué)的天體物理學(xué)家VolkerBromm寫道，搞清分子氫的形成有多快將幫助科學(xué)家模擬第一批恒星的形成，以及宇宙結(jié)構(gòu)隨著時(shí)間流逝的進(jìn)化情況。這是因?yàn)榈谝慌阈堑奶匦?、行為和命運(yùn)會(huì)影響隨后發(fā)生的宇宙事件，例如原始星系的形成與分布。Bromm寫道：“實(shí)際上，這是此項(xiàng)研究非常迷人的一面，微觀物理學(xué)進(jìn)程竟然能夠擁有如此大規(guī)模的宇宙學(xué)含義。”
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