Natuurkundigen rapporteren de eerste laboratoriummetingen van elektronenreacties met heliumhydride-ionen in de cryogene opslagring CSR bij het Max Planck Institute for Nuclear Physics in Heidelberg. Bij temperaturen tot 6 K, de reactiesnelheden die het molecuul vernietigen bleken significant lager te zijn in vergelijking met eerdere metingen bij kamertemperatuur. Dit vertaalt zich in een sterk verhoogde abundantie van dit oermolecuul dat fungeert als koelmiddel voor de vorming van de eerste ster en melkwegstelsels in het vroege universum.

Slechts drie minuten na de oerknal, de chemische samenstelling van het heelal was geregeld:75 procent waterstof, 25 procent helium, en sporen van lithium, allemaal gecreëerd door primordiale nucleosynthese. Echter, in deze vroege staat, alle materie was volledig geïoniseerd, bestaande uit vrije kale kernen en een heet elektronengas, een "mist" plasma voor de kosmologische achtergrondstraling.

ongeveer 400, 000 jaar later, het uitdijende heelal koelde af tot een niveau waarop elektronen en kernen zich begonnen te combineren tot neutrale atomen. De ruimte werd transparant, maar er waren nog geen sterren geboren; dus, dit tijdperk wordt de 'donkere middeleeuwen' genoemd. Naarmate de temperatuur verder daalde, botsingen van neutraal helium met nog steeds overvloedige vrije protonen vormden het eerste molecuul - het heliumhydride-ion (HeH⁺), die het begin van de chemie markeert. HeH+ en andere vroege moleculaire soorten speelden een essentiële rol bij het afkoelen van oergaswolken via infraroodemissie, een noodzakelijke stap voor stervorming.

Het begrijpen en modelleren van de laatstgenoemde processen vereist een gedetailleerde kennis van abundanties en reactiesnelheden van de relevante moleculen. Echter, informatie tot nu toe was vrij beperkt, vooral in het lage-temperatuurregime ( <100 K) van de late donkere middeleeuwen, ongeveer 300 miljoen jaar na de oerknal, toen de eerste sterren werden gevormd. Zeer onlangs, HeH⁺ werd in ons melkwegstelsel ontdekt door zijn ver-infraroodstraling te detecteren.

De overvloed aan HeH⁺ wordt kritisch bepaald door destructieve reacties. Bij lage temperaturen, dit wordt gedomineerd door zogenaamde dissociatieve recombinatie (DR) met vrije elektronen:eenmaal geneutraliseerd door een elektronenvangst, heliumhydride valt uiteen in helium- en waterstofatomen. Eerdere resultaten beschikbaar in gegevenstabellen voor de reactiesnelheden waren gebaseerd op laboratoriumexperimenten bij kamertemperatuur. Onder deze voorwaarden, de moleculen bevinden zich in zeer opgewonden rotatietoestanden waarvan werd vermoed dat ze de elektronenvangstprocessen beïnvloeden.

Om inzicht te krijgen in het gedrag bij lage temperaturen, natuurkundigen van de afdeling van Klaus Blaum van het Heidelberg Max Planck Instituut voor Kernfysica (MPIK) onderzochten botsingen van HeH⁺ met elektronen in de cryogene opslagring CSR van het instituut. Deze unieke faciliteit is ontworpen en gebouwd voor laboratoriumastrofysica onder ruimteachtige omstandigheden met betrekking tot temperatuur en dichtheid. De CSR zorgt voor een omgeving met temperaturen onder 10 K en een uitstekend vacuüm (waargenomen tot <10⁻¹⁴mbar). De onderzoekers bestudeerden de recombinatie met behulp van een elektronendoelwit waarin de opgeslagen ionenbundel over een afstand van ongeveer een meter wordt ondergedompeld in een zich voortplantende elektronenbundel (Figuur 1). De relatieve snelheden kunnen worden afgesteld op nul, die toegang biedt tot zeer lage botsingsenergieën. De reactieproducten van de elektron-ion-interactiezone worden stroomafwaarts gedetecteerd, waardoor absolute reactiesnelheden worden verkregen (Figuur 1).

Bij een temperatuur van 6 K in de CSR, de wetenschappers zagen de opgeslagen HeH⁺-ionen binnen enkele tientallen seconden afkoelen tot de roterende grondtoestand. Tijdens dit stralingskoelproces, de onderzoekers volgden de populatie van de individuele rotatietoestanden en haalden de staat-selectieve DR-waarschijnlijkheid eruit (Figuur 2).

"We vinden dat de elektronenrecombinatiesnelheden voor de laagste rotatieniveaus van HeH⁺ tot een factor 80 lager zijn dan de waarden die tot nu toe in de gegevenstabellen zijn gegeven, " zegt Oldřich Novotný, hoofdonderzoeker van het experiment. "Deze dramatische afname is grotendeels te wijten aan de lagere temperaturen die worden gebruikt in onze laboratoriummetingen. Het vertaalt zich in een sterk verbeterde overvloed van dit oermolecuul in het tijdperk van de vorming van de eerste ster en melkweg."

Het nieuwe resultaat, nu voorzien van ongekende details, is van groot belang voor zowel het begrip van de reactie zelf als voor de modellering van het vroege heelal. Voor de botsingstheorie HeH⁺ is nog steeds een uitdagend systeem. Hier, de metingen helpen om de theoriecodes te benchmarken. De experimentele DR-reactiesnelheden, nu beschikbaar voor verschillende elektronenenergieën en rotatietoestanden, kunnen worden vertaald naar de omgevingseigenschappen die worden gebruikt in modelberekeningen voor de chemie van het oergas. Deze en toekomstige toekomstige studies met behulp van de CSR leveren breed toepasbare gegevens op. Gezien de op handen zijnde lancering van de James Webb Space Telescope, de nieuwe mogelijkheden van laboratoriumastrofysica zijn bijzonder actueel, aangezien zijn zoektocht naar de eerste lichtgevende objecten en sterrenstelsels na de oerknal veel baat zal hebben bij betrouwbare voorspellingen over de chemie van het vroege heelal.