行星状星云NGC 7027与氦合氢离子结构图。

来历：举世科学

撰文 | 张华

在世界初期，化学是怎样诞生的？数十年前，就有科学家提出，氦合氢离子（HeH+）是世界中的第一个化学反应产品，但科学家一向无法证明该物质存在于世界环境中。总算，在最新的《天然》杂志中，科学家从行星状星云NGC 7027中探测到HeH+，这是人们初次在世界中探测到这种离子。

从古至今，总有一些基本问题躲藏了很深的科学道理，比方先有蛋白质仍是先有核酸（遗传物质）？要回答这个问题，有必要要用演化论的眼光，追溯到生命来历的初步时刻。

当然，翻开元素周期表，相似的问题还有许多，比方恒星给咱们造就了铁，超新星给咱们造就了金。那么一向朝世界前期追溯，一个相似的问题就显现出来：“先有氢仍是先有氦？”

在元素周期表中，第1号元素氢以及第2号元素氦的位置十分特别。在任何单位，1号与2号都是剧烈的竞争者。

先有氢仍是先有氦？

这个问题还真是蛮重要的。当然了，这个问题的答案还得分红两部分来说。

关于氢原子核与氦原子核来说，在世界大爆炸前期，存在一个“原初核组成”阶段。在这个阶段，首要发作氢原子核，然后再有氦原子核。

氢原子核其实便是质子，质子的质量1.6726231 × 10-27 kg，假如用爱因斯坦的质能方程E=MC2来换算，质子的质量是938百万电子伏特，而每一个电子伏特大约相当于1万摄氏度。因而，只需世界的温度降低到9 380 000百万摄氏度的时分，质子就会在世界中发作。经过与世界大爆炸一初步的普朗克能标做比对，依据世界前期辐射为主的特色，能够计算出氢核（质子）是在世界大爆炸后1秒钟的时分就构成了。

而氦原子核是在世界大爆炸后3分钟才初步构成的。

所以，氢原子核的呈现要早于氦原子核。而咱们知道，元素的位置是由原子核的位置决议的，所以在这个含义上，氢先于氦呈现。

当然，工作并没有那么简略——化学家不这样看。由于对化学家来说，原子更重要，光看原子核是不可的。

关于氢原子与氦原子来说，它们不光有原子核，还需求结合电子才能够构成原子。出其不意的是，在世界大爆炸的前期，氦原子的构成要早于氢原子的构成。

关于世界前期发作的地理现象，地理学家观测到的是光谱线。而世界是在胀大的，所以越是世界前期的地理现象，其相对应的光谱波长越简单被世界胀大所拉长，发作所谓的“红移”现象。

所以知道了“红移”，也就知道了世界学含义上的“时刻”，世界学家经常用红移来符号时刻。比方世界诞生后38万年，光子初步变得自在，最终构成今日看到的世界微波布景辐射。世界诞生后38万年，依照世界学家的说法，也便是红移1100的时分。

香港科技大学物理系的王一教师在承受《举世科学》采访时表明：“中性的氦原子是在红移约2000的时分呈现的，而中性的氢原子在红移1100的时分呈现。”

中性氢原子呈现的时刻，也便是世界微波布景辐射呈现的时刻——那时分便是世界38万岁的时分，也便是红移1100的时分。

红移的数值越大，表明间隔现在的时刻越长远，也意味着这个原子呈现的时刻越陈旧。氦原子光谱的红移比氢原子更大，氦原子才是世界中第一个呈现的原子

当然，咱们也能够用量子力学来解说为什么氦原子会比氢原子更早在大爆炸核组成过程中呈现：氦离子He2+和He+具有比H+更高的电离势，所以它们能够首先与自在电子结合，构成第一个中性原子。

以上便是整个工作的两个旁边面。

HeH+是世界中第一个分子？

咱们有了氢与氦，这相当于世界中的物质有了根底资料，后边的故事就更多了。这些资料间的第一次化学反应是怎样进行的，它的产品是什么？

20世纪70年代，就有地理学家提出，中性氦原子与质子结合构成氦合氢离子（HeH+），这正是世界化学反应的初步。

HeH+看起来很简略，它便是一个氦原子结合一个质子构成的。这叫做分子离子——由于它看起来像分子，但其实是一个离子。但科学家以为HeH+比氢分子更早在世界中呈现，所以在理论上它是世界中第一个分子离子。

早在1925年，化学家霍格内斯（T。 R。 Hogness）与伦恩（E。 G。 Lunn）在就地球实验室中组成出这种分子离子。但在世界中，科学家一直没有发现HeH+的踪影。

近100年过去了，到了2019年4月17日，科学家总算取得了打破：美国航空航天局（NASA）与德国航空航天中心的联合项目——同温层红外观测台（SOFIA）的高分辨率GREAT分光仪，检测到HeH+发射的红外线。这一成果宣布在《天然》杂志上。

HeH+在世界中被找到了！

能证明HeH+来自世界前期吗？

本次对HeH+的地理发现是由德国马克斯·普朗克射电所的拉尔夫·古斯滕（rolf Güsten）等人完结的。他们依托的是同温层红外观测台（SOFIA）的高分辨率GREAT分光仪。

同温层红外观测台（图片来历：NASA photo / Jim Ross）

这些分光仪的数据是在2016年5月同温层红外观测台（SOFIA）在飞机上飞翔3次后得到的。经过这些数据能够分分出NGC 7027星云中存在HeH+。

不过，这次探测到的氦合氢离子虽然是在世界中，但必定不是在世界极前期构成的。

为什么会这样呢？由于本次探测到HeH+的NGC 7027星云中间隔咱们地球只要3000光年，这在世界学含义上来说是一个很近的间隔。并且本次观测到的HeH+的谱线红移等于零，所以它绝不是来自于世界前期。前面现已说到，假如是世界前期呈现的HeH+，那么其红移应该介于1100（氢原子呈现）与2000（氦原子呈现）之间，接近于世界微波布景辐射的红移。

拉尔夫·古斯滕在论文中说到的NGC 7027是一个年青的星云，他们以为其条件相似于前期世界的物理条件，因而这在必定程度上也能够证明前期世界中也有HeH+存在——不过这理由看起来好像有点勉强了。

假如想要证明前期世界中的确存在HeH+，那么有必要要探测到高红移的HeH+谱线。

所以，HeH+虽然在世界中被找到了，但要说它是世界中第一个分子，还需求证明它真的很老——需求找到HeH+的高红移谱线才行。

世界中最强的酸

既然在世界中现已找到了HeH+，那么它到底是一种什么样的物质呢？化学家猜想，它可能是世界中最强的酸。

HeH+是由氦原子和质子构成，而在这个结构中质子是彻底暴露的，这使HeH+能够结合任何与它磕碰的物质分子中的电子——这就表现出极大的酸性。

虽然现在还不能承认HeH+是不是世界中的发作的第一个分子，但这次发现仍然是一个活跃信号，这说明HeH+的确能够在星际空间中存在。而HeH+是构成氢分子的祖先，它也为在星际空间中寻觅中性氢供给了一个有价值的头绪。

不管怎么样，这都是科学的成功。