Физики смогли экспериментально воссоздать среду образования первых звезд

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 международный коллектив исследователей, выполнивших этот эксперимент в Институте ядерной физики общества им. Макса Планка (Гейдельберг, Германия), вошли и 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 небольших количеств 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 — (минус) 267 ℃. 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.

Материал предоставлен пресс-службой ИФП СО РАН