《科学画报》
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宇宙大爆炸后的第一个化学反应产物
2021-06-10 14:18:00最近，英国《自然》杂志报道，科学家从行星状星云NGC 7027中探测到氦合氢离子(HeH+)，这是人类首次在宇宙中探测到这种离子。那么，作为元素周期表中的第1号元素氢和第2号元素氦，在宇宙大爆炸后究竟先有氢还是先有氦呢?
对于氢原子核与氦原子核来说，在宇宙大爆炸早期，存在一个“原初核合成”阶段。在这个阶段，首先产生氢原子核，再有氦原子核。
氢原子核其实就是质子。根据爱因斯坦的质能方程可得出，只要宇宙的温度降低到93800亿℃时，质子就会在宇宙中产生。通过与宇宙大爆炸开始时的普朗克能标做比对，再根据宇宙早期以辐射为主的特点，可以得出：氢原子核(质子)在宇宙大爆炸后1秒钟就形成了。
根据氦原子的电离能量，可以得出：氦原子核是在宇宙大爆炸后3分钟形成的。所以，氢原子核的出现要早于氦原子核。一般而言，决定元素类别的是原子核而非核外电子，在这个意义上，氢先于氦出现。
对于氢原子与氦原子来说，它们不但有原子核，还需要结合电子才可以形成原子。出乎意料的是，在宇宙大爆炸早期，氦原子的形成要早于氢原子的形成。
对于宇宙早期的天文现象，天文学家观测到的是光谱线。而宇宙在不断膨胀，所以越是宇宙早期的天文现象，其对应的光谱波长越容易被宇宙膨胀所拉长，产生所谓的“红移”现象。因此，天文学家经常用红移来标记宇宙学意义上的“时间”。比如，宇宙诞生后38万年，光子开始变得“自由”(不再与电子相互影响)，最终形成今天看到的宇宙微波背景辐射。按照天文学家的说法，宇宙诞生后38万年也就是红移1100的时候。
中性的氦原子在大约红移2000的时候出现，而中性的氢原子在红移1100的时候出现。红移的数值越大，表示距离现在的时间越久远，也意味着这个原子出现的时间越古老。因此，氦原子是宇宙中第一个出现的原子。
有了氢与氦，就相当于宇宙中的物质有了基础材料。那么这些材料之间的第一次化学反应是怎样进行的，产物又是什么?
20世纪70年代，有天文学家提出，中性的氦原子与质子(氢原子核)结合形成HeH+，这是宇宙中发生的第一个化学反应。科学家认为HeH+比氢原子更早出现在宇宙中，所以它是宇宙中第一个分子离子。
早在1925年，化学家霍格内斯与伦恩在实验室中合成出这种分子离子。但在宇宙中，科学家始终没有发现HeH+的踪迹。
2019年4月17日，科学家终于取得了突破。在美国国家航空航天局与德国航空航天中心的联合项目中，同温层红外天文观测台(SOFIA)的高分辨率GREAT分光仪检测到HeH+发射的红外线。换言之，HeH+在宇宙中被找到了!
不过，这次探测到的HeH+虽然是宇宙中的，但是并非是在宇宙早期形成的。首先，行星状星云NGC 7027(科学家从中探测到HeH+)距离地球只有3000光年，从宇宙学意义上来说，这是一个很近的距离。其次，这次观测到的HeH+谱线红移等于零，所以它绝不是来自宇宙早期。正如前面所言，如果是宇宙早期出现的HeH+，那么其红移应该介于1100(氢原子出现之时)与2000(氦原子出现之时)之间，接近于宇宙微波背景辐射的红移。
因此，如果要证明HeH+是宇宙中的第一个分子，就需要证明它很古老——需要找到HeH+的高红移谱线才行。
那么，HeH+到底是一种什么样的物质呢?化学家猜测，它可能是宇宙中最强的酸。HeH+是由氦原子和质子构成，而这个结构中质子是完全裸露的，这使得HeH+能够结合任何与它碰撞的物质分子中的电子，从而表现出极大的酸性。
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