Физики смогли экспериментально воссоздать среду образования первых звезд
10.10.2019
Ученые обнаружили, что концентрация ионов гидрида гелия — одной из первых
молекул, возникших во Вселенной и определявших скорость формирования звезд —
существенно превышает величину, предсказанную ранее теоретически. В
эксперименте, который прошел в Институте ядерной физики общества им. Макса
Планка (Гейдельберг, Германия), участвовали сотрудники Института физики
полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН. Подробности опубликованы в журнале Science.
Известно, что газ, из которого образовались первые звезды, состоял из
молекул водорода (H2), протодейтерия (HD), ионов гидрида гелия (HeH+)
и гидрида лития (LiH). Считается, что ионы HeH+, обладающие наибольшим
дипольным моментом, определяют скорость остывания газовых облаков до
температуры, при которой происходит их гравитационный коллапс и зарождаются
первые звёзды. Поэтому знание концентрации этих ионов в газовых облаках ранней
Вселенной необходимо для понимания эволюции первичного газа. Концентрация ионов
гидрида гелия в газовых облаках определяется вероятностью распада этих частиц
на нейтральные атомы гелия и водорода при столкновении с электронами.
Предыдущие измерения вероятности распада ионов гидрида гелия проводились при
комнатной температуре, однако действительная температура Вселенной в эпоху
появления первых звезд, по оценкам учёных, была около 6 Кельвин, то есть - 267º С. Выяснилось,
что в таких условиях концентрация ионов HeH+ резко увеличивается.
Провести эксперименты при 6 К удалось благодаря недавно построенному в
Гейдельберге криогенному кольцевому накопителю ионов — Cryogenic Storage Ring
(СSR). Ионы гидрида гелия циркулировали в СSR в течение нескольких сотен секунд
без столкновений, а затем встречались с «холодными» электронами, которые
двигались с одинаковыми скоростями в одном направлении с ионами. Столкновения
электронов с ионами HeH+ приводили к их нейтрализации и последующему
распаду. Регистрировалось количество образовавшихся нейтральных атомов водорода
и гелия, а также их энергии и углы разлёта. Оказалось, что скорость распада
ионов гидрида гелия на атомы примерно в 80 раз ниже, чем считалось ранее.
«Вклад сибирских ученых в данный эксперимент заключался в создании миниатюрного
полупроводникового излучателя «холодных» электронов, который обеспечил
предельно малый разброс их скоростей. Пучок этих частиц использовался как для
охлаждения ионного пучка, так и для «превращения» HeH+-ионов в
нейтральные атомы гелия и водорода. Полупроводниковый эмиттер для источника
электронов разработан в ИФП СО РАН с участием большого количества
исследователей. Нужно отметить, что участники обсуждаемой работы Дмитрий Орлов
и Андрей Шорников закончили Новосибирский государственный университет и ранее
работали в нашем институте именно по этой тематике», — прокомментировал
российский соавтор статьи в Science заведующий лабораторией неравновесных
процессов в полупроводниках ИФП СО РАН доктор физико-математических наук
Александр Сергеевич Терехов.
Результаты лабораторного изучения закономерностей формирования первых
молекул во Вселенной появились очень своевременно. В ближайшее время
планируется запуск космического телескопа «Джеймс Уэбб» — сменщика «Хаббла».
Миссия проекта «Джеймс Уэбб» — поиск и изучение излучения первых звезд и
галактик, появившихся на раннем этапе эволюции Вселенной после Большого взрыва.
Совместный анализ экспериментальных результатов, полученных физиками на Земле и
в космосе имеет большое значение для детального понимания физических процессов,
происходивших в ранней Вселенной.
Пресс-служба ИФП СО
РАН
Источник: Наука в Сибири