早期宇宙理論沒有出差錯,科學家終於發現大爆炸後形成的第一個分子

作者 | 發布日期 2019 年 04 月 19 日 18:47 | 分類 天文 , 尖端科技 , 自然科學 follow us in feedly


天體化學界重磅消息,天文學家歷經近半世紀「肉搜」,終於找到了自大爆炸後第一個形成的關鍵分子氫化氦,數十多年來的擔憂、質疑在這一刻明朗,留下幸福結局。

我們的宇宙起源於 138 億年前的大爆炸,由一個密度極大、溫度極高的太初狀態演變而來,而太初核合成(BBN)產生了宇宙的輕元素(氫、氦、氘和少量鋰)。

根據模型,大爆炸之後 10 萬年,年輕宇宙溫度逐漸冷卻到 4,000℃,輕元素氦首先與自由電子結合形成第一個中性原子,並與氫(此時氫仍然被電離,以裸質子形式存在)結合形成氫化氦(helium hydride)帶電分子,這是宇宙出現的第一個化合物,如果這些原子最初沒有結合成最簡單的分子,今天就不會有我們這些複雜生命體的存在。

那麼作為第一個化合物,照理說整個宇宙應該都有它存在的痕跡,但事實是,自1970 年代起,天文學家就一直在苦尋行星狀星雲(來自垂死恆星)中的氫化氦分子,然全部宣告鎩羽而歸。

於是大家開始不安的想,難道理論出錯了嗎?早期宇宙的化學作用和目前認知有所出入嗎?其實太空中並不存在這種分子嗎?

OK,放心,沒有錯,天文學家們歷經數十年煎熬,如今終於找到了!由德國馬克斯·普朗克電波天文研究所 Rolf Güsten 領導的團隊,從距離我們 3,000 光年遠的行星狀星雲 NGC 7027 中,首次找到氫化氦分子,這將幫助天文學家模擬出早期宇宙的樣貌。

氫化氦分子在 0.149mm 波長下發射最強譜線,不幸的是這個波長非常容易被地球大氣吸收,以至於地面望遠鏡在尋找氫化氦分子的路上幾乎一無所獲,我們只能從高空或外太空搜尋。

意外也不意外,此次立功的望遠鏡就安裝在「同溫層紅外線天文台(Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy,SOFIA)」上,顧名思義,這個天文台不設於地面、也不在外太空,而是飛在大氣同溫層(平流層)中,由一架波音 747 噴射客機改裝而成,見下圖(為天文學家的創意甘拜下風)。

▲ 同溫層紅外線天文台於 2007 年首次試飛,現由 NASA 阿姆斯特朗飛行研究中心維護操作。(Source:NASA

同溫層紅外線天文台平常飛行高度約位於 45,000 英尺(約 13,700 公尺),有任務時就起飛,飛完後回到地面繳交觀測數據,並讓科學家定期更新儀器,這次協助望遠鏡(直徑 2.7 公尺)發現氫化氦分子的儀器,就是科學家於 2011 年新安裝的遠紅外光譜儀 GREAT(German Receiver at Terahertz Frequencies)。

現在,天文學家可以大聲的說,我們真的從行星狀星雲 NGC 7027 中看到氫化氦分子的誕生,而不是只能自行從實驗室模擬,同時這也代表我們對原始宇宙的理論和模型無急迫修正必要。真是個美麗的結局。新論文發表在《自然》(Nature)期刊。

(首圖來源:NASA