Các nhà khoa học đã tìm thấy phân tử đầu tiên trong vũ trụ nhờ vào tinh vân cách chúng ta 3.000 năm ánh sáng

Tinh vân NGC 7027 cách xa Trái Đất 3.000 năm ánh sáng. Dưới ánh sáng mạnh của ngôi sao ở tâm của nó, các phản ứng hóa học trong vỏ khí của tinh vân tiếp tục tăng lên.

Vào thời kỳ đầu, hơn 13 tỷ năm trước, vũ trụ là một mớ hỗn độn không phân biệt của ba nguyên tố đơn nguyên tử. Nhưng trong vòng 100.000 năm sau Vụ nổ lớn, phân tử đầu tiên đã xuất hiện, một sự kết hợp không thể tách rời của heli và hydro được gọi là ion helium hydride, hay HeH .

David Neufeld, giáo sư tại Đại học John's Hopkins và đồng tác giả của một nghiên cứu được công bố gần đây cho biết: "Đó là sự khởi đầu của hóa học", các nhà khoa học cuối cùng đã phát hiện ra phân tử khó nắm bắt trong không gian.

Ông nói với AFP: "Sự hình thành của HeH là bước đầu tiên trên con đường ngày càng phức tạp trong vũ trụ".

Các mô hình lý thuyết từ lâu đã thuyết phục các nhà vật lý thiên văn rằng HeH là phân tử xuất hiện đầu tiên, theo sau là sự hình thành của các phân tử ngày càng phức tạp và nặng hơn khác.

HeH cũng đã được nghiên cứu trong phòng thí nghiệm, sớm nhất là vào năm 1925.

Nhưng việc phát hiện HeH trong môi trường tự nhiên của nó vẫn nằm ngoài khả năng nắm bắt của các nhà khoa học thời điểm đó.

Tác giả chính Rolf Gusten, một nhà khoa học tại Viện nghiên cứu phóng xạ Max Planck ở Bonn cho biết: "Việc thiếu bằng chứng xác thực về sự tồn tại của nó trong không gian giữa các vì sao đã là một vấn đề nan giải đối với thiên văn học".

Các nhà khoa học trên đài quan sát trên không SOFIA đã phát hiện ra loại phân tử đầu tiên từng hình thành trong vũ trụ. Họ đã tìm thấy sự kết hợp của helium và hydro, được gọi là helium hydride, trong một tinh vân hành tinh gần chòm sao Cygnus. Khám phá này xác nhận một phần quan trọng trong hiểu biết cơ bản của chúng ta về vũ trụ sơ khai và cách nó phát triển qua hàng tỷ năm thành hóa học phức tạp ngày nay.

Ngay từ những năm 1970, các mô hình đã gợi ý rằng HeH tồn tại với số lượng đáng kể trong các khí phát sáng do các ngôi sao giống Mặt trời sắp chết phun ra, tạo ra các điều kiện tương tự như các điều kiện được tìm thấy trong vũ trụ sơ khai.

Vấn đề là các sóng điện từ do phân tử này phát ra nằm trong phạm vi bị bầu khí quyển của Trái Đất loại bỏ, và do đó không thể phát hiện được từ mặt đất - hồng ngoại xa.

Vì vậy, NASA và Trung tâm Hàng không Vũ trụ Đức đã hợp tác để tạo ra một đài quan sát trên không với ba thành phần chính: một kính viễn vọng khổng lồ 2,7 mét, một máy quang phổ hồng ngoại và một chiếc Boeing 747.

Từ độ cao bay gần 14.000 mét, Đài quan sát thiên văn hồng ngoại trên tầng bình lưu, hay SOFIA, đã tránh được 85% "tiếng ồn" trong khí quyển của các kính thiên văn trên mặt đất.

Dữ liệu từ một loạt chuyến bay vào tháng 5 năm 2016 đã thu thập được các bằng chứng phân tử mà các nhà khoa học đã tìm kiếm từ lâu, chúng nằm xen kẽ trong tinh vân hành tinh NGC 7027 cách chúng ta 3.000 năm ánh sáng. Nếu mọi việc suôn sẻ, nghiên cứu sẽ rút ra một trong những kết luận quan trọng nhất trong hóa học thiên văn trong những thập kỷ gần đây.

Trên thực tế, mô hình được các nhà khoa học sử dụng để mô tả những ngày đầu của vũ trụ là rất rõ ràng: 380.000 năm sau Vụ nổ lớn, nhiệt độ của vũ trụ giảm xuống dưới 4.000 K, và chuyển động ngẫu nhiên của các electron dần trở nên chậm chạp - đến mức nó có thể được thay thế bởi hydro tích điện dương. Hạt nhân (một proton) và hạt nhân heli (gồm hai proton và hai neutron) bị giữ lại để tạo thành nguyên tử HeH .

Các photon trước đây được liên kết bởi các điện tử cũng có thể bị phá vỡ tự do (tách photon) và lan truyền tự do khắp vũ trụ, tạo thành bức xạ phông vi sóng vũ trụ mà chúng ta vẫn có thể quan sát ngày nay.

 

380.000 năm sau Vụ nổ lớn: Một số ít hạt nhân hydro vẫn chưa có electron va chạm với hạt nhân heli để tạo thành phân tử đầu tiên HeH .

Hàng triệu năm tiếp theo: HeH luôn duy trì khả năng phản ứng cực cao, tạo điều kiện cho các nguyên tử hydro tạo thành ion phân tử hydro H2 , và H2 nhanh chóng bắt giữ các electron để tạo thành phân tử hydro H2 sau đó tụ lại thành một đám mây khí khổng lồ

Các phân tử hydro sau đó nhanh chóng tập hợp lại thành một đám mây khí khổng lồ, đám mây này sau đó lại sụp đổ dưới tác dụng của trọng lực và đốt cháy những ngôi sao đầu tiên. Những ngôi sao này tạo ra các nguyên tố mới thông qua các phản ứng hạt nhân tại trung tâm của chúng: carbon, oxy, nitơ, sắt, v.v.

Hàng trăm triệu năm trôi qua: Đám mây hydro sụp đổ và hình thành những ngôi sao đầu tiên, chúng phóng ra các nguyên tử mới và các phân tử phức tạp hơn, chẳng hạn như phân tử nước.

Ngày nay: Sự phức tạp hóa học của vũ trụ tiếp tục phát triển, và quá trình liên quan tiếp tục được nâng cao bởi các nguyên tử mới được rèn bởi các ngôi sao. Các phân tử hữu cơ trong DNA của con người thậm chí còn được tìm thấy trong một số tinh vân...

 

Stefano Bovino, nhà hóa học vũ trụ tại Đại học Concepción, Chile, giải thích: "99,99% hạt nhân hydro đã bắt giữ các điện tử, nhưng vẫn còn một số lượng nhỏ các hạt nhân hydro không có điện tử. Các hạt nhân hydro này bị cô lập bởi các electron sau đó nhanh chóng va chạm với các nguyên tử heli mới được hình thành, và liên kết hóa học đầu tiên trong vũ trụ được tạo ra bởi sự tương tác của các photon tự do".

"Điều này đánh dấu sự khởi đầu của các phản ứng hóa học trong vũ trụ", Bovino nhấn mạnh. Rolf Güsten, một đồng nghiệp của Wismeier cho rằng: "Những ion như vậy đóng một vai trò quan trọng trong quá trình hóa học và tiến hóa phân tử của vũ trụ".