2019年4月17日(農(nóng)歷2019年3月13日)，氦合氫離子被發(fā)現(xiàn)。如果有人問道：宇宙中發(fā)生的第一個化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物是什么？相信就算是學(xué)過多年化學(xué)的人，大多都會瞬間一臉懵：這個問題有點難??？化學(xué)老師好像沒教過啊？答不上來沒關(guān)系。其實，這不賴化學(xué)老師，長期以來，連科學(xué)家們都不知道這個產(chǎn)物究竟藏在宇宙中的什么地方。但畢竟掛著“第一”的名號，這個產(chǎn)物尤為重要，因此，天文學(xué)家們花了幾十年的時間，在茫茫宇宙中孜孜不倦地尋找著它的身影，直到最近，他們終于如愿以償！2019年4月17日，一個研究小組在《自然》（Nature）上發(fā)表論文宣布，他們在行星狀星云NGC7027中探測到氦合氫離子（HeH ）。這是人們第一次在現(xiàn)代宇宙中探測到這種離子，而它，就是名副其實的宇宙中第一個化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物。行星狀星云NGC7027和HeH 的示意圖，其中紅球代表氦，藍(lán)球代表氫。來源：參考資料[2]HeH 是如何誕生的？在解釋科學(xué)家到底干了什么之前，我們稍微花點時間，回到宇宙的早期，來看看宇宙中第一個化學(xué)反應(yīng)究竟是怎么回事兒。大概是宇宙大爆炸后38萬年的時候，經(jīng)歷高溫致密狀態(tài)后的宇宙，伴隨著膨脹開始降溫，此時溫度已經(jīng)降低到4000開爾文（K）以下。這時，在大爆炸核合成時期產(chǎn)生的輕元素（那個時候只有氫、氦和極少的鋰）的離子開始重新結(jié)合。氦離子（He2 和He ）首先與自由電子結(jié)合，形成宇宙中最早的中性原子。氫元素的重新結(jié)合也在隨后發(fā)生。雖然化學(xué)課本告訴我們，氦是惰性氣體，在今天地球上常溫常壓的條件下很難發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。但是，在宇宙早期階段高溫致密的環(huán)境里，情況卻完全不同，中性氦原子會與質(zhì)子結(jié)合形成氦合氫離子——這就發(fā)生了宇宙中的第一個化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)物中包含了宇宙中最早的化學(xué)鍵?；瘜W(xué)反應(yīng)的過程，其中hν是光子的能量。圖片來源：參考資料[1]HeH 的結(jié)構(gòu)示意圖，左側(cè)為質(zhì)子，右側(cè)為氦原子，中間是化學(xué)鍵。圖片來源：WikimediaCommons化學(xué)的黎明就這樣來了。氦合氫離子隨后會與氫原子發(fā)生相互作用，形成氫分子。氫分子是形成最初的恒星的基礎(chǔ)。恒星又像“元素工廠”一樣，制造了組成今日宇宙的所有元素。這些元素的奇妙組合接著造就了生命，我們才有機(jī)會在這里討論這個問題。見證生命的萌芽。圖片來源：PixabayHeH 或許就在那兒，然而我們看不到盡管在早期宇宙的演化過程中，氦合氫離子發(fā)揮著非常重要的作用，天文學(xué)家卻始終沒有在星際空間中探測到它的存在，因此也無法證明化學(xué)誕生過程中這至關(guān)重要的第一步。造成這一狀況的原因是他們使用的太空望遠(yuǎn)鏡沒辦法把氦合氫離子的信號從其他分子發(fā)出的混雜信號中識別出來。正如這篇論文的通訊作者、德國馬克斯·普朗克射電天文研究所的羅爾夫·居斯騰（RolfGüsten）所說：“數(shù)十年來，在星際空間中找不到這種離子存在的證據(jù)將天文學(xué)置于左右為難的境地中。”[2]早在1925年，化學(xué)家已經(jīng)在實驗室中合成了這種離子。但是直到20世紀(jì)70年代后期，天文學(xué)家才開始討論在天體環(huán)境中存在這種離子的可能性，并把行星狀星云作為尋找這種離子的候選區(qū)域。行星狀星云是由類似于太陽的恒星在演化末期不斷向外拋射的物質(zhì)構(gòu)成。這種星云不斷膨脹，最后拋出的氣體和塵埃彌散于星際空間中，僅留下中央的高溫恒星。天文學(xué)家認(rèn)為，行星狀星云的物理條件與早期宇宙相似，很有可能會產(chǎn)生這種離子，并且密度足以被探測到。行星狀星云NGC7027。圖片來源：WikimediaCommons其實，天文學(xué)家在一開始就瞄準(zhǔn)了這次發(fā)現(xiàn)HeH 的行星狀星云NGC7027。這個星云距離地球3000光年，位于天鵝座附近。但是當(dāng)時的觀測并沒有獲得確定的結(jié)果，隨后的研究雖然暗示HeH 的存在，也依然沒有實現(xiàn)直接探測。給出答案的，是“飛機(jī)上的天文臺”從2016年開始，天文學(xué)家嘗試借助于同溫層紅外線天文臺（StratosphericObservatoryforInfraredAstronomy，SOFIA）進(jìn)行探測。這是一個由美國國家航空航天局（NASA）和德國航空航天中心（GermanAerospaceCenter，DLR）聯(lián)合發(fā)起的空基天文臺，實際是把觀測設(shè)備搭載在一家波音747SP寬體客機(jī)上。你沒看錯，這就是飛行中的同溫層紅外線天文臺。圖片來源：WikimediaCommonsSOFIA于2010年投入使用。飛機(jī)在距離地面14000米以上的高度飛行，可以避免地球大氣層的很多干擾。而且相比于太空望遠(yuǎn)鏡，SOFIA的一個明顯的優(yōu)勢是在每次飛行后，天文學(xué)家都可以及時對探測計劃進(jìn)行調(diào)整并安裝最新的設(shè)備。SOFIA科學(xué)中心主任哈羅德·約克（HaroldYork）這么評價SOFIA的作用：“氦合氫離子就隱藏在那兒，但是我們需要正確的設(shè)備在正確的位置進(jìn)行觀測才能發(fā)現(xiàn)它，而SOFIA可以完美地做到這一點。”[2]這次幫助天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)氦合氫離子的設(shè)備，就是在最近的一次設(shè)備升級中加裝的德國太赫茲頻率接收器（GermanReceiveratTerahertzFrequencies，GREAT）。這臺儀器有點像我們聽廣播使用的收音機(jī)，天文學(xué)家將它調(diào)頻到希望尋找的這種離子的發(fā)射頻率上，就像我們把收音機(jī)調(diào)臺到想聽的那個頻道上一樣。SOFIA在夜晚進(jìn)行觀測的時候，飛機(jī)上的科學(xué)家可以實時從設(shè)備上讀取數(shù)據(jù)。2016年5月，SOFIA在3次飛行中進(jìn)行了觀測。居斯騰領(lǐng)導(dǎo)的研究小組對觀測獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，氦合氫離子的信號就這樣被最終發(fā)現(xiàn)。首次發(fā)現(xiàn)氦合氫離子令居斯騰和很多天文學(xué)家感到激動，一場長久的搜尋終于有了一個完美的結(jié)局。在大爆炸理論的基礎(chǔ)上，我們形成了對早期宇宙化學(xué)的理解，同時推斷出它如何經(jīng)過上百億年的時間演化成今天宇宙中的復(fù)雜的化學(xué)。第一個化學(xué)反應(yīng)的出現(xiàn)無疑是其中一個關(guān)鍵的部分。氦合氫離子的發(fā)現(xiàn)打消了我們曾有的顧慮，使得我們可以繼續(xù)信任已有的理論，并且指引我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)宇宙更深層次的秘密。我們都是散落的星骸?，F(xiàn)在我們確切地知道，這個故事該從何說起。