宇宙浩瀚，神秘莫测，而其中的第一颗恒星和最早分子的形成过程一直是天文学与化学领域热门且具有挑战性的研究课题。近期，海德堡马克斯普朗克核物理研究所（MPIK）的科研团队成功在实验室中模拟了早期宇宙条件下氦氢离子（HeH⁺）与氢同位素-氘（D）之间的反应机制，揭示了此前理论中存在的重大偏差，带来了对宇宙早期化学反应和恒星诞生过程的深刻新认识。宇宙诞生于约138亿年前的大爆炸后，最初的环境极其炽热且密度极高，随着时间推移，温度逐步下降，为基本元素的形成提供了条件。氢和氦作为宇宙最丰富的两种元素，在大爆炸后数秒内诞生，但它们最初均处于完全电离状态，直到约38万年后，宇宙温度足够低，自由电子与离子重新结合形成了中性原子，这一关键阶段标志着化学反应的开始。氦氢离子正是由中性氦原子与电离氢核结合形成的宇宙中最早的分子之一。其存在开启了由氦氢离子出发，逐步形成氢分子和其他更复杂分子的化学链条。
氢分子（H₂）作为宇宙中最普遍的分子，在星际气体冷却及星云坍缩中扮演着重要角色。早期宇宙经历了一段被称为“暗时代”的历史阶段，这段时间虽然宇宙透明，光线可以自由传播，但由于尚未形成恒星，宇宙中缺乏光学显著的发光体。氦氢离子和氢分子的存在对于早期的星云冷却至关重要。低温下，氢原子冷却能力有限，而具有强偶极矩的氦氢离子能够通过分子的旋转与振动状态辐射有效散热，帮助气体云释放热量，使恒星的原始坍缩过程得以顺利进行。理解和准确描述氦氢离子在早期宇宙中的反应路径，对于揭示第一代恒星的形成机制具有重大意义。此前的理论模型认为，氦氢离子与中性氢原子的反应速率会随着温度降低而显著下降，从而影响其对宇宙化学演化的贡献。
然而海德堡MPIK团队利用其独特的低温离子存储环——冷冻存储环（Cryogenic Storage Ring, CSR），将氦氢离子在接近绝对零度的环境中，与氘原子进行碰撞实验，为理解其反应动力学提供了前所未有的实验数据。通过长达60秒的离子存储与精确调控粒子束的相对速度，科学家得以测量反应速率随碰撞能量变化的规律。实验结果出人意料，反应速率在低温条件下并未显著下降，反而维持在较高水平。这一发现彻底打破了以往对宇宙早期分子化学的认知，并促使理论物理学家重新审视计算模型。团队成员之一，理论物理学家约翰·斯克里巴诺指出，过去的潜能面计算存在致命错误，新修正的理论与实验数据高度吻合，显示出反应过程几乎无能量屏障，因而反应可在极低温环境快速进行。这种无障碍快速反应机制意味着氦氢离子参与早期宇宙化学反应的效能被严重低估，随之推断，早期宇宙中的分子丰度，尤其是氦氢离子及其衍生产品的数量，可能远高于此前预期。
氦氢离子与氢或氘的连锁反应还导致氢分子及其同位素变体的产生，这些分子继续作为重要冷却剂，支持星云气体进一步降温和坍缩，最终触发核聚变反应，诞生出第一批恒星。这一系列化学反应不仅揭示了宇宙物质从简单元素向复杂结构转变的路径，还为理解星系形成提供了基础。此次实验和理论的双重突破，也得益于跨学科团队的紧密合作。实验物理学家、理论化学家与天体物理学家共同协作，将先进的实验设备与精密的计算方法相结合，推动了宇宙早期化学研究的前沿。未来，类似的低温离子存储实验还可以拓展至其他关键宇宙分子反应体系，进一步完善我们对宇宙化学演化的整体理解。此次研究成果不仅为天文观测数据的解释提供了理论支持，也为宇宙模型的精细模拟提供了关键数据输入。
随着射电望远镜和空间探测器的持续进展，科学家们有望直接探测宇宙第一代分子及其分布，验证实验与理论的预测。总之，氦氢离子作为宇宙间最早的分子，其快速反应能力的确认，不仅揭示了早期宇宙化学的复杂性，也为宇宙中恒星诞生的神秘面纱揭开了一角。这个分子作为宇宙“化学起点”的地位更加稳固，深化了我们对宇宙从无序到有序演变过程的理解。科学家们将继续探索宇宙中更多分子间的反应细节及其对大尺度宇宙结构的影响，期待揭示更多宇宙诞生之谜，推动人类对宇宙起源和演化的认知迈入新的高度。
