宇宙的诞生始于约138亿年前的宇宙大爆炸。初期的宇宙充满了极高的温度和密度，经历了短暂而剧烈的膨胀与冷却，最终形成了最简单的元素——氢和氦。然而，真正让宇宙迈向复杂结构的关键，是化学反应中第一个形成的分子。科学家们近日在德国海德堡马克斯普朗克核物理研究所，成功重现了宇宙中第一个分子——氦氢离子（HeH⁺），这一成果不仅解决了长达130多亿年的天文谜题，还为揭示最早恒星诞生的机理注入了新活力。氦氢离子这一分子是由中性氦原子和电离的氢原子核结合而成。它的出现标志着化学反应链的开始，最终促成分子氢（H2）以及宇宙中最丰富的分子——氢分子群的形成。
恰恰是这些简单分子的出现，帮助宇宙在经历了黑暗时代后顺利诞生第一代恒星。科学研究表明，恒星的形成必须经历由气体云引力坍缩的过程，在这一过程中，如何有效散热使气体云继续冷却并进一步坍缩，是至关重要的物理环节。氢原子本身在约一万摄氏度以下的温度条件下，碰撞激发和能量发射机制效率低下，因此无法有效散热。相比之下，氦氢离子由于其极强的偶极矩，能够通过旋转和振动过程高效辐射能量，显著促进气体云的冷却，从而推动恒星的诞生。此前的理论预测认为，氦氢离子与氢原子的反应速率会随着温度降低而减缓，这暗示其在宇宙早期低温环境中的作用有限。然而，海德堡马克斯普朗克研究所的科研团队借助独特的超低温存储环（Cryogenic Storage Ring）装置，将氦氢离子束与中性氘原子束在接近绝对零度的条件下对撞，发现在几乎不改变反应速率的情况下，反应过程依然迅速且无阻隔。
这一发现推翻了旧有观点，表明氦氢离子在早期宇宙冷却过程中起到了远比想象中更重要的作用。此外，研究人员还通过高精度理论计算纠正了此前关于反应势能面的计算错误，使实验数据与理论预测高度吻合，进一步确认了氦氢离子化学反应的有效性和稳定性。在早期宇宙中，氦氢离子通过与氢造成碰撞反应，生成了中性氦原子和氢化离子（H2⁺），后者又会进一步参与反应形成稳定的分子氢。这一链式反应不仅丰富了宇宙中的分子种类，也为冷却气体云、最终点燃恒星核心的热核反应创造了必备的条件。氦氢离子的发现和重现为解释宇宙大爆炸后的早期化学演化提供了关键证据。随着宇宙温度逐渐降低，自由电子与原子重新结合形成中性原子，宇宙从完全光亮变为透明，同时开启了漫长的黑暗时代，直至第一批恒星诞生激活光源。
氦氢离子以及随后的氢分子充当着宇宙早期的“冷却剂”，保证气体云能够通过光子辐射将内能释放到宇宙空间，进而实现引力的进一步作用。新近的实验结果将科学家对宇宙之初化学过程的理解推向了新的高度，也为天文学家利用卫星观测星际分子谱线提供了理论基础。此前，科学家对氦氢离子的直接观测非常困难，直到21世纪初，天文望远镜方才首次在行星状星云NGC 7027中观测到氦氢离子的光谱信号。如今，结合实验室创造的反应数据，科学家们能够更加有效地解释宇宙早期复杂化学反应途径，改善宇宙模型，使宇宙学、恒星演化学和分子天文学实现跨领域的融合。这项研究不仅对基础科学领域意义重大，也为人类理解宇宙的起源、结构与演化提供了科学依据，推动了天文技术和实验物理领域的发展。未来，随着观测设备和实验技术的提升，科学家们有望解锁更多早期宇宙的秘密，揭示微观分子与宏观星系形成之间错综复杂的关联。
氦氢离子的重现代表着科学家在宇宙起源研究上的一次重要突破，既填补了人类对宇宙早期化学历史的认知空白，也为揭开恒星及星系形成的神秘面纱奠定了坚实基础。
