宇宙的起源一直是科学研究的核心课题之一。大爆炸发生于约138亿年前，那时宇宙处于极端高温高密的状态。在极短时间内，宇宙开始迅速冷却，最初的基本粒子逐渐结合形成了最轻的元素氢和氦。尽管如此，氢和氦元素在刚诞生时仍处于电离状态，无法形成稳定的原子。直到约38万年后，宇宙温度降低到足以让电子重新束缚于原子核，形成中性原子，这一阶段被称为“复合时代”。正是复合时代的到来，为宇宙中的第一批化学反应铺平了道路。
在这些早期的化学反应中，最为重要和神秘的莫过于氦氢离子（HeH⁺）的形成。作为宇宙已知最早诞生的分子，氦氢离子由一个中性氦原子和一个带正电的氢核结合而成。它不仅代表了化学反应的起点，更是后续复杂分子和恒星诞生的催化剂。氦氢离子的产生开启了一系列关键反应，最终促成了宇宙中最丰富的分子——分子氢（H₂）的生成。 宇宙进入复合时代后，随着电子被束缚，空间变得透明，此时被称为“宇宙黑暗时代”。这是一个没有恒星光亮的时代，直到数亿年后，第一批恒星才点亮了夜空。
尽管处于黑暗之中，简单的分子如HeH⁺和H₂在此阶段发挥了极其重要的作用。它们帮助气体云散发热量，促进了气体云的坍缩，使得引力最终战胜了热压，支持恒星的诞生。没有这些分子的能量散发作用，恒星形成过程将极为缓慢甚至无法进行。 早期宇宙的化学反应机制长期以来存在理论空白，科学家无法精准模拟这些反应的详细路径和速率。近日，德国海德堡马克斯·普朗克核物理研究所的研究团队在一项突破性实验中，首次在实验室环境下成功重现了宇宙早期的关键化学反应——氦氢离子与氘原子的反应过程。 这项实验利用了世界领先的低温储存环装置。
研究人员将HeH⁺离子存储在直径达35米的储存环内，温度维持在几开尔文（接近绝对零度），模拟宇宙早期极冷的环境。随后，HeH⁺离子束与中性氘原子束发生碰撞，通过调节两束粒子的相对速度，研究团队考察了碰撞反应在不同温度下的速率变化。这种高精度模拟不仅复刻了宇宙黑暗时代的极端化学条件，也揭示了反应的独特性质。 实验结果令人惊讶。此前的理论预测普遍认为，随着温度下降，HeH⁺与氢原子的反应速率会显著减缓。然而该团队的实验显示，反应速率几乎保持恒定，并未随温度下降而减缓。
这说明早期宇宙中这种反应比以往所想的更为频繁和重要。科研人员进一步结合新的理论计算，修正了过去模型中的潜在能势面错误，证实了实验结果的科学准确性。 这一发现对宇宙学和恒星物理学意义重大。Helium hydride ion作为最早形成的分子，曾被认为是冷却早期气体云的关键因子，其反应效率直接影响分子氢的生成速度，而分子氢又是原始星云冷却和坍缩的核心催化剂。实验证实反应率稳定且高效，意味着早期宇宙中形成分子氢的路径可能比之前推测的更迅速，进而加快了第一批恒星的诞生进程。 这一研究突破了天体化学和宇宙早期物理学中的多项障碍，将宇宙的化学演化史清晰化，填补了从原子到分子再到恒星形成的一条关键链条。
重现宇宙首个化学反应不仅是一项实验技术的奇迹，也为天文学家提供了更准确的模型，帮助他们利用望远镜观测星际介质或遥远星系时，更精确地理解其中分子的存在和行为。 未来，该研究团队计划继续探索与原始宇宙相关的更多复杂分子反应，助力天体模型的完善。同时，这些成果将为国际空间望远镜如詹姆斯·韦伯空间望远镜提供理论指导。通过结合实验室数据和天文观测，科学家们期待更深入揭示宇宙从混沌到有序、从无生命到星辰辉映的神秘旅程。 总的来说，氦氢离子的成功模拟实验打破了传统理论束缚，展现了科学家在窥探宇宙最早时刻的坚韧和智慧。它不仅是现代宇宙学和化学交叉领域的里程碑，更在诠释宇宙起源和恒星形成机制的长河中刻下了光辉的一页。
随着研究的不断推进，人类对宇宙成分和演变的认知将更加立体与深刻，星空之谜亦将渐渐揭开神秘面纱。
