行星狀星云NGC 7027。William B. Latter (SIRTF Science Center / Caltech) / NASA / ESA
行星狀星云NGC 7027。H. Bond (STScI) / NASA / ESA
SOFIA在NGC 7027中發(fā)現(xiàn)氦化氫分子示意圖。氦原子為紅色，氫原子為藍(lán)色。NASA / SOFIA / L. Proudfit / D.Rutter
現(xiàn)代宇宙是從無(wú)到有，從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，一步步逐漸形成的。宇宙大爆炸后不久，熾熱的宇宙中基本上只有氫和氦兩種元素，且它們還都是簡(jiǎn)單的原子狀態(tài)。
隨著宇宙的膨脹，物質(zhì)逐漸冷卻。大約10萬(wàn)年后，情況發(fā)生了變化。原子和原子開(kāi)始結(jié)合在一起形成分子。分子的出現(xiàn)是現(xiàn)代宇宙結(jié)構(gòu)成型的重要一步。
宇宙中最早出現(xiàn)的，并不是氫分子，而是一種叫氦化氫的分子結(jié)構(gòu)。
科學(xué)家認(rèn)為，實(shí)際上是氦化氫分子結(jié)構(gòu)誘發(fā)了氫分子的出現(xiàn)。氫分子的出現(xiàn)導(dǎo)致星云坍縮成恒星成為可能。而恒星的出現(xiàn)，則標(biāo)志著多姿多彩的現(xiàn)代宇宙開(kāi)始形成。但是天文學(xué)家一直沒(méi)能在宇宙中找到這種分子結(jié)構(gòu)。
找不到氦化氫一方面是因?yàn)楹な且环N惰性元素，很難和其他原子結(jié)合在一起。即便是在實(shí)驗(yàn)室里也不容易合成。另一方面，雖然人們相信在宇宙中的某些行星狀星云的內(nèi)部可能存在氦化氫——那里有充足的紫外線，以及大量被垂死恒星噴出來(lái)的物質(zhì)——但是這些氦化氫是和許多其他物質(zhì)混合在一起的，難以區(qū)分。
缺少“第一種分子”在自然中存在的證據(jù)，讓天文學(xué)家一直以來(lái)都略感尷尬。于是在2016年，人們把希望寄托在了NASA和德國(guó)宇航中心的一個(gè)合作項(xiàng)目——“同溫層紅外天文臺(tái)”（SOFIA）身上。
SOFIA和一般的天文臺(tái)或太空望遠(yuǎn)鏡不同，它實(shí)際上是一架飛機(jī)，一架經(jīng)過(guò)改裝的波音747飛機(jī)。
這架飛機(jī)上安裝了一臺(tái)106英寸口徑的望遠(yuǎn)鏡，能夠在45000英尺高的同溫層（平流層）中飛行。在同溫層中進(jìn)行觀測(cè)有一個(gè)好處，即能夠排除大氣的干擾。而且，作為一架能夠隨時(shí)返回地面的飛機(jī)，其搭載的設(shè)備可以方便地進(jìn)行加裝、更換和升級(jí)。這個(gè)優(yōu)點(diǎn)，是連太空望遠(yuǎn)鏡也沒(méi)有的。
SOFIA最新加裝的一臺(tái)由德國(guó)提供的名為GREAT的設(shè)備，具有獨(dú)特的氦化氫檢測(cè)能力。它就像一臺(tái)收音機(jī)，可以收聽(tīng)到宇宙中氦化氫分子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的特有頻率。最終，人們?cè)诰嚯x地球約3000光年遠(yuǎn)的行星狀星云NGC 7027中，發(fā)現(xiàn)了氦化氫分子結(jié)構(gòu)的存在。
“第一種分子”的發(fā)現(xiàn)，是人類認(rèn)識(shí)宇宙演化過(guò)程中的重要一步。它表明，在太空環(huán)境中，氦化氫可以存在。但是很明顯，就像我們?cè)陂喿x這個(gè)故事的過(guò)程中所體會(huì)到的那樣，未來(lái)科學(xué)家還有更多的事要做，有更多的疑問(wèn)要去解答。
SOFIA同溫層紅外天文臺(tái)。NASA photo / Jim Ross
SOFIA同溫層紅外天文臺(tái)的望遠(yuǎn)鏡。Carla Thomas / NASA
參考：
The Universe’s First Type of Molecule Is Found at Last
https://www.nasa.gov/feature/the-universe-s-first-type-of-molecule-is-found-at-last
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