Los físicos informan de las primeras mediciones de laboratorio de reacciones de electrones con iones de hidruro de helio en el anillo de almacenamiento criogénico CSR en el Instituto Max Planck de Física Nuclear en Heidelberg. A temperaturas de hasta 6 K, Se encontró que las velocidades de reacción que destruían la molécula eran significativamente más bajas en comparación con las mediciones anteriores a temperatura ambiente. Esto se traduce en una abundancia fuertemente mejorada de esta molécula primordial que actúa como refrigerante para la formación de la primera estrella y galaxia en el universo temprano.

Solo tres minutos después del Big Bang, la composición química del universo se estableció:75 por ciento de hidrógeno, 25 por ciento de helio, y trazas de litio, todo creado por nucleosíntesis primordial. Sin embargo, en este estado temprano, toda la materia estaba completamente ionizada, que consta de núcleos desnudos libres y un gas de electrones calientes, un plasma "brumoso" para la radiación cosmológica de fondo.

Alrededor de 400, 000 años después, el universo en expansión se enfrió a un nivel en el que los electrones y los núcleos comenzaron a combinarse en átomos neutros. El espacio se volvió transparente pero aún no habían nacido estrellas; por lo tanto, esta era se llama la "edad oscura". A medida que la temperatura bajó aún más, Las colisiones de helio neutro con protones libres todavía abundantes formaron la primera molécula:el ion hidruro de helio (HeH⁺), que marca el amanecer de la química. HeH + y otras especies moleculares tempranas desempeñaron un papel esencial en el enfriamiento de las nubes de gas primordiales a través de la emisión infrarroja, un paso necesario para la formación de estrellas.

La comprensión y el modelado de estos últimos procesos requieren un conocimiento detallado de la abundancia y las velocidades de reacción de las moléculas relevantes. Sin embargo, la información hasta ahora ha sido bastante limitada, particularmente en el régimen de baja temperatura ( <100 K) de finales de la Edad Media, unos 300 millones de años después del Big Bang, cuando se formaron las primeras estrellas. Muy recientemente, HeH⁺ fue descubierto en nuestra galaxia al detectar su emisión de infrarrojo lejano.

La abundancia de HeH⁺ está críticamente determinada por reacciones destructivas. A bajas temperaturas, esto está dominado por la llamada recombinación disociativa (DR) con electrones libres:una vez neutralizados por una captura de electrones, el hidruro de helio se disocia en átomos de helio e hidrógeno. Los resultados anteriores disponibles en las tablas de datos para las velocidades de reacción se basaron en experimentos de laboratorio a temperatura ambiente. Bajo estas condiciones, las moléculas se encuentran en estados de rotación muy excitados que se sospecha que influyen en los procesos de captura de electrones.

Para conocer mejor el comportamiento a bajas temperaturas, Los físicos de la división de Klaus Blaum en el Instituto Max Planck de Física Nuclear (MPIK) de Heidelberg investigaron las colisiones de HeH⁺ con electrones en el anillo de almacenamiento criogénico CSR del instituto. Esta instalación única fue diseñada y construida para astrofísica de laboratorio en condiciones similares a las del espacio en cuanto a temperatura y densidad. El CSR proporciona un ambiente de temperaturas por debajo de 10 K y un excelente vacío (observado hasta <10⁻¹⁴ mbar). Los investigadores estudiaron la recombinación utilizando un objetivo de electrones en el que el haz de iones almacenado se sumerge en un haz de electrones que se propaga conjuntamente a una distancia de aproximadamente un metro (Figura 1). Las velocidades relativas se pueden ajustar a cero, que proporciona acceso a energías de colisión muy bajas. Los productos de reacción de la zona de interacción electrón-ión se detectan aguas abajo, proporcionando así velocidades de reacción absolutas (Figura 1).

A una temperatura de 6 K dentro del CSR, Los científicos observaron que los iones HeH⁺ almacenados se enfriaban hasta el estado fundamental de rotación en unas pocas decenas de segundos. Durante este proceso de enfriamiento radiativo, los investigadores siguieron la población de los estados rotacionales individuales y extrajeron la probabilidad de RD selectiva por estado (Figura 2).

"Encontramos que las tasas de recombinación de electrones para los niveles de rotación más bajos de HeH⁺ están hasta un factor de 80 por debajo de los valores dados en las tablas de datos hasta ahora, "dice Oldřich Novotný, investigador principal del experimento. "Esta dramática disminución se debe en gran parte a las temperaturas más bajas utilizadas en nuestras mediciones de laboratorio. Se traduce en una abundancia fuertemente mejorada de esta molécula primordial en la era de la formación de las primeras estrellas y galaxias".

El nuevo resultado, ahora con detalles sin precedentes, es de gran relevancia tanto para la comprensión de la reacción en sí como para el modelado del universo primitivo. Para la teoría de colisiones, HeH⁺ sigue siendo un sistema desafiante. Aquí, las mediciones ayudan a comparar los códigos teóricos. Las velocidades de reacción DR experimentales, ahora disponible para varias energías electrónicas y estados de rotación, puede traducirse en las propiedades ambientales utilizadas en los cálculos de modelos para la química del gas primordial. Este y los estudios futuros prospectivos que utilizan el CSR proporcionan datos de amplia aplicación. Teniendo en cuenta el inminente lanzamiento del telescopio espacial James Webb, las nuevas capacidades de la astrofísica de laboratorio son particularmente oportunas, dado que su búsqueda de los primeros objetos luminosos y galaxias después del Big Bang se beneficiará enormemente de predicciones confiables sobre la química del universo temprano.