行星狀星云NGC 7027與氦合氫離子結構圖。

來歷：舉世科學

撰文 | 張華

在世界初期，化學是怎樣誕生的？數十年前，就有科學家提出，氦合氫離子（HeH+）是世界中的第一個化學反應產品，但科學家一向無法證明該物質存在于世界環境中。總算，在最新的《天然》雜志中，科學家從行星狀星云NGC 7027中探測到HeH+，這是人們初次在世界中探測到這種離子。

從古至今，總有一些基本問題躲藏了很深的科學道理，比方先有蛋白質仍是先有核酸（遺傳物質）？要回答這個問題，有必要要用演化論的眼光，追溯到生命來歷的初步時刻。

當然，翻開元素周期表，相似的問題還有許多，比方恒星給咱們造就了鐵，超新星給咱們造就了金。那么一向朝世界前期追溯，一個相似的問題就顯現出來：“先有氫仍是先有氦？”

在元素周期表中，第1號元素氫以及第2號元素氦的位置十分特別。在任何單位，1號與2號都是劇烈的競爭者。

先有氫仍是先有氦？

這個問題還真是蠻重要的。當然了，這個問題的答案還得分紅兩部分來說。

關于氫原子核與氦原子核來說，在世界大爆炸前期，存在一個“原初核組成”階段。在這個階段，首要發作氫原子核，然后再有氦原子核。

氫原子核其實便是質子，質子的質量1.6726231 × 10-27 kg，假如用愛因斯坦的質能方程E=MC2來換算，質子的質量是938百萬電子伏特，而每一個電子伏特大約相當于1萬攝氏度。因而，只需世界的溫度降低到9 380 000百萬攝氏度的時分，質子就會在世界中發作。經過與世界大爆炸一初步的普朗克能標做比對，依據世界前期輻射為主的特色，能夠計算出氫核（質子）是在世界大爆炸后1秒鐘的時分就構成了。

而氦原子核是在世界大爆炸后3分鐘才初步構成的。

所以，氫原子核的呈現要早于氦原子核。而咱們知道，元素的位置是由原子核的位置決議的，所以在這個含義上，氫先于氦呈現。

當然，工作并沒有那么簡略——化學家不這樣看。由于對化學家來說，原子更重要，光看原子核是不可的。

關于氫原子與氦原子來說，它們不光有原子核，還需求結合電子才能夠構成原子。出其不意的是，在世界大爆炸的前期，氦原子的構成要早于氫原子的構成。

關于世界前期發作的地理現象，地理學家觀測到的是光譜線。而世界是在脹大的，所以越是世界前期的地理現象，其相對應的光譜波長越簡單被世界脹大所拉長，發作所謂的“紅移”現象。

所以知道了“紅移”，也就知道了世界學含義上的“時刻”，世界學家經常用紅移來符號時刻。比方世界誕生后38萬年，光子初步變得自在，最終構成今日看到的世界微波布景輻射。世界誕生后38萬年，依照世界學家的說法，也便是紅移1100的時分。

香港科技大學物理系的王一教師在承受《舉世科學》采訪時表明：“中性的氦原子是在紅移約2000的時分呈現的，而中性的氫原子在紅移1100的時分呈現。”

中性氫原子呈現的時刻，也便是世界微波布景輻射呈現的時刻——那時分便是世界38萬歲的時分，也便是紅移1100的時分。

紅移的數值越大，表明間隔現在的時刻越長遠，也意味著這個原子呈現的時刻越陳舊。氦原子光譜的紅移比氫原子更大，氦原子才是世界中第一個呈現的原子

當然，咱們也能夠用量子力學來解說為什么氦原子會比氫原子更早在大爆炸核組成過程中呈現：氦離子He2+和He+具有比H+更高的電離勢，所以它們能夠首先與自在電子結合，構成第一個中性原子。

以上便是整個工作的兩個旁邊面。

HeH+是世界中第一個分子？

咱們有了氫與氦，這相當于世界中的物質有了根底資料，后邊的故事就更多了。這些資料間的第一次化學反應是怎樣進行的，它的產品是什么？

20世紀70年代，就有地理學家提出，中性氦原子與質子結合構成氦合氫離子（HeH+），這正是世界化學反應的初步。

HeH+看起來很簡略，它便是一個氦原子結合一個質子構成的。這叫做分子離子——由于它看起來像分子，但其實是一個離子。但科學家以為HeH+比氫分子更早在世界中呈現，所以在理論上它是世界中第一個分子離子。

早在1925年，化學家霍格內斯（T。 R。 Hogness）與倫恩（E。 G。 Lunn）在就地球實驗室中組成出這種分子離子。但在世界中，科學家一直沒有發現HeH+的蹤影。

近100年過去了，到了2019年4月17日，科學家總算取得了打破：美國航空航天局（NASA）與德國航空航天中心的聯合項目——同溫層紅外觀測臺（SOFIA）的高分辨率GREAT分光儀，檢測到HeH+發射的紅外線。這一成果宣布在《天然》雜志上。

HeH+在世界中被找到了！

能證明HeH+來自世界前期嗎？

本次對HeH+的地理發現是由德國馬克斯·普朗克射電所的拉爾夫·古斯滕（rolf Güsten）等人完結的。他們依托的是同溫層紅外觀測臺（SOFIA）的高分辨率GREAT分光儀。

同溫層紅外觀測臺（圖片來歷：NASA photo / Jim Ross）

這些分光儀的數據是在2016年5月同溫層紅外觀測臺（SOFIA）在飛機上飛翔3次后得到的。經過這些數據能夠分分出NGC 7027星云中存在HeH+。

不過，這次探測到的氦合氫離子雖然是在世界中，但必定不是在世界極前期構成的。

為什么會這樣呢？由于本次探測到HeH+的NGC 7027星云中間隔咱們地球只要3000光年，這在世界學含義上來說是一個很近的間隔。并且本次觀測到的HeH+的譜線紅移等于零，所以它絕不是來自于世界前期。前面現已說到，假如是世界前期呈現的HeH+，那么其紅移應該介于1100（氫原子呈現）與2000（氦原子呈現）之間，接近于世界微波布景輻射的紅移。

拉爾夫·古斯滕在論文中說到的NGC 7027是一個年青的星云，他們以為其條件相似于前期世界的物理條件，因而這在必定程度上也能夠證明前期世界中也有HeH+存在——不過這理由看起來好像有點勉強了。

假如想要證明前期世界中的確存在HeH+，那么有必要要探測到高紅移的HeH+譜線。

所以，HeH+雖然在世界中被找到了，但要說它是世界中第一個分子，還需求證明它真的很老——需求找到HeH+的高紅移譜線才行。

世界中最強的酸

既然在世界中現已找到了HeH+，那么它到底是一種什么樣的物質呢？化學家猜想，它可能是世界中最強的酸。

HeH+是由氦原子和質子構成，而在這個結構中質子是徹底暴露的，這使HeH+能夠結合任何與它磕碰的物質分子中的電子——這就表現出極大的酸性。

雖然現在還不能承認HeH+是不是世界中的發作的第一個分子，但這次發現仍然是一個活躍信號，這說明HeH+的確能夠在星際空間中存在。而HeH+是構成氫分子的祖先，它也為在星際空間中尋覓中性氫供給了一個有價值的頭緒。

不管怎么樣，這都是科學的成功。