과학자들은 우주의 첫 번째 분자를 재생성하고 130억 년 된 퍼즐을 풀었습니다.

수소화 헬륨 이온과 중수소의 연구된 반응의 반응 체계와 에너지 준위. 이는 기존 이론과는 달리 빠르고 장벽이 없는 반응이다. 배경: 붉은색으로 보이는 수소 분자를 가진 행성상 성운 NGC 7027. 출처: 도식: MPIK; 배경 이미지: WB Latter (SIRTF 과학 센터/칼텍) 및 NASA

약 138억 년 전 빅뱅 직후, 우주는 상상할 수 없을 만큼 높은 온도와 밀도로 가득 차 있었습니다. 그러나 불과 몇 초 만에 우주는 냉각되어 최초의 원소, 주로 수소와 헬륨이 형성될 수 있었습니다. 이 시점에서는 여전히 완전히 이온화된 상태였는데, 우주의 온도가 낮아져 자유 전자와 재결합하여 중성 원자가 형성될 수 있을 만큼 낮아지는 데 거의 38만 년이 걸렸기 때문입니다. 이는 최초의 화학 반응의 길을 열었습니다.

현존하는 가장 오래된 분자는 중성 헬륨 원자와 이온화된 수소 핵으로부터 형성된 헬륨 수소화물 이온(HeH +)입니다. 이는 우주에서 가장 흔한 분자인 수소 분자(H2)를 형성하는 연쇄 반응의 시작을 나타냅니다.

재결합 이후 우주론의 '암흑기'가 시작되었습니다. 자유 전자의 결합으로 인해 우주는 이제 투명해졌지만, 별과 같은 빛을 내는 천체는 아직 존재하지 않았습니다. 최초의 별이 형성되기까지 수억 년이 흘렀습니다.

그러나 우주의 초기 단계에서는 HeH⁺와 H₂와 같은 단순 분자들이 최초의 별 형성에 필수적이었습니다. 원시별의 수축하는 가스 구름이 핵융합이 시작될 수 있는 지점까지 붕괴되려면 열이 방출되어야 합니다. 이는 원자와 분자를 들뜨게 하는 충돌을 통해 발생하며, 이 에너지는 광자의 형태로 방출됩니다. 그러나 약 섭씨 10,000도 이하에서는 이 과정이 주요 수소 원자에 효과가 없습니다. 추가적인 냉각은 회전과 진동을 통해 추가 에너지를 방출할 수 있는 분자를 통해서만 가능합니다. HeH⁺ 이온은 뚜렷한 쌍극자 모멘트 덕분에 이러한 낮은 온도에서 특히 효과적이며, 오랫동안 최초의 별 형성을 위한 잠재적으로 중요한 냉각 후보로 여겨져 왔습니다. 결과적으로, 우주 내 수소화헬륨 이온의 농도는 초기 별 형성의 효율성에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다.

이 기간 동안, 자유 수소 원자와의 충돌은 HeH⁺의 주요 분해 경로였으며, 중성 헬륨 원자와 H₂⁺ 이온을 형성했습니다. 이후 이들은 다른 H 원자와 반응하여 중성 H₂ 분자와 양성자를 형성하여 분자 수소를 형성했습니다.

하이델베르크 막스플랑크 핵물리학 연구소(MPIK) 연구진은 초기 우주와 유사한 조건에서 이 반응을 최초로 성공적으로 재현했습니다. 연구진은 양성자와 함께 원자핵에 중성자를 추가로 포함하는 수소 동위원소인 중수소(HeH⁺)와 HeH⁺의 반응을 연구했습니다. HeH⁺가 중수소와 반응하면 중성 헬륨 원자와 함께 H₂⁺ 대신 HD⁺ 이온이 생성됩니다.

이 실험은 하이델베르크 MPIK의 극저온 저장 링(CSR)에서 수행되었습니다. CSR은 우주와 유사한 조건에서 분자 및 원자 반응을 연구하는 세계적으로 독보적인 장비입니다. 이를 위해 HeH⁺ 이온을 직경 35미터의 이온 저장 링에 최대 60초 동안 수 켈빈(-267°C)의 온도로 저장하고, 중성 중수소 원자 빔과 중첩시켰습니다. 두 입자 빔의 상대 속도를 조절함으로써, 과학자들은 온도와 직접적인 관련이 있는 충돌 에너지에 따라 충돌 속도가 어떻게 달라지는지 연구할 수 있었습니다.

그들은 이전 예측과 달리 이 반응의 진행 속도가 온도가 감소함에 따라 느려지지 않고 거의 일정하게 유지된다는 것을 발견했습니다.MPIK의 Holger Kreckel 박사는 "이전 이론에서는 저온에서 반응 확률이 크게 감소할 것으로 예측했지만, 실험이나 동료들의 새로운 이론적 계산에서 이를 확인할 수 없었습니다."라고 설명합니다. 그는 "따라서 HeH⁺와 중성 수소 및 중수소의 반응은 이전에 가정했던 것보다 초기 우주의 화학에 훨씬 더 중요했던 것으로 보입니다."라고 덧붙였습니다. 이러한 관찰은 이 반응에 대한 모든 이전 계산에서 사용된 퍼텐셜 표면 계산에서 오류를 발견한 Yohann Scribano가 이끄는 이론 물리학자 그룹의 연구 결과와 일치합니다. 개선된 퍼텐셜 표면을 사용한 새로운 계산은 이제 CSR 실험과 긴밀하게 일치합니다.

HeH⁺와 분자 수소(H2 또는 HD)와 같은 분자의 농도가 최초의 별 형성에 중요한 역할을 했으므로, 이번 결과는 별 형성의 미스터리를 푸는 데 한 걸음 더 다가가는 계기가 되었습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/08/250803011840.htm