Fysiker rapporterar de första laboratoriemätningarna av elektronreaktioner med heliumhydridjoner i den kryogena lagringsringen CSR vid Max Planck Institute for Nuclear Physics i Heidelberg. Vid temperaturer ner till 6 K, reaktionshastigheterna som förstörde molekylen visade sig vara betydligt lägre jämfört med tidigare mätningar vid rumstemperatur. Detta leder till ett starkt ökat överflöd av denna urmolekyl som fungerar som ett kylmedel för den första stjärn- och galaxbildningen i det tidiga universum.

Bara tre minuter efter Big Bang, universums kemiska sammansättning fastställdes:75 procent väte, 25 procent helium, och spårmängder av litium, alla skapade av primordial nukleosyntes. Dock, i detta tidiga tillstånd, all materia var helt joniserad, bestående av fria nakna kärnor och en het elektrongas, ett "dimmigt" plasma för den kosmologiska bakgrundsstrålningen.

Cirka 400, 000 år senare, det expanderande universum kyldes ner till en nivå där elektroner och kärnor började kombineras till neutrala atomer. Utrymmet blev genomskinligt, men inga stjärnor var ännu födda; Således, denna era kallas den "mörka medeltiden". När temperaturen sjönk ytterligare, kollisioner av neutralt helium med fortfarande rikligt med fria protoner bildade den första molekylen - heliumhydridjonen (HeH⁺), som markerar kemins gryning. HeH+ och andra tidiga molekylära arter spelade en viktig roll för att kyla urgasmoln via infraröd emission, ett nödvändigt steg för stjärnbildning.

Förståelsen och modelleringen av de senare processerna kräver en detaljerad kunskap om mängder och reaktionshastigheter för de relevanta molekylerna. Dock, informationen har hittills varit ganska begränsad, särskilt i lågtemperaturregimen ( <100 K) från den sena mörka medeltiden, cirka 300 miljoner år efter Big Bang, när de första stjärnorna bildades. Väldigt nyligen, HeH⁺ upptäcktes i vår galax genom att detektera dess långt infraröda emission.

Mängden HeH⁺ bestäms kritiskt av destruktiva reaktioner. Vid låga temperaturer, detta domineras av så kallad dissociativ rekombination (DR) med fria elektroner:en gång neutraliserad av en elektroninfångning, heliumhydrid dissocierar i helium- och väteatomer. Tidigare resultat tillgängliga i datatabeller för reaktionshastigheterna baserades på laboratorieexperiment vid rumstemperatur. Under dessa omständigheter, molekylerna befinner sig i starkt exciterade rotationstillstånd som misstänktes påverka elektroninfångningsprocesserna.

För att få insikt i lågtemperaturbeteendet, fysiker från avdelningen av Klaus Blaum vid Heidelberg Max Planck Institute for Nuclear Physics (MPIK) undersökte kollisioner av HeH⁺ med elektroner vid institutets kryogena lagringsring CSR. Denna unika anläggning designades och byggdes för laboratorieastrofysik under rymdliknande förhållanden vad gäller temperatur och densitet. CSR ger en miljö med temperaturer under 10 K och ett utmärkt vakuum (observerat ned till <10⁻¹⁴ mbar). Forskarna studerade rekombinationen med hjälp av ett elektronmål där den lagrade jonstrålen är nedsänkt i en samutbredningselektronstråle över ett avstånd av cirka en meter (Figur 1). De relativa hastigheterna kan ställas in till noll, som ger tillgång till mycket lågkollisionsenergier. Reaktionsprodukterna från elektron-joninteraktionszonen detekteras nedströms, ger således absoluta reaktionshastigheter (Figur 1).

Vid en temperatur på 6 K inuti CSR, forskarna observerade att de lagrade HeH⁺-jonerna kyldes ner till roterande marktillstånd inom några tiotals sekunder. Under denna strålningskylningsprocess, forskarna följde populationen av de individuella rotationstillstånden och extraherade den tillståndsselektiva DR-sannolikheten (Figur 2).

"Vi finner att elektronrekombinationshastigheterna för de lägsta rotationsnivåerna av HeH⁺ är upp till en faktor 80 under de värden som anges i datatabellerna hittills, säger Oldřich Novotný, huvudforskare av experimentet. "Denna dramatiska minskningen beror till stor del på de lägre temperaturer som används i våra laboratoriemätningar. Det leder till ett kraftigt ökat överflöd av denna urmolekyl under eran av första stjärn- och galaxbildning."

Det nya resultatet, nu försedd med oöverträffade detaljer, är av stor relevans för såväl förståelsen av själva reaktionen som för modelleringen av det tidiga universum. För kollisionsteori, HeH⁺ är fortfarande ett utmanande system. Här, mätningarna hjälper till att jämföra teorikoderna. De experimentella DR-reaktionshastigheterna, nu tillgänglig för olika elektronenergier och rotationstillstånd, kan översättas till de miljöegenskaper som används i modellberäkningar för urgasens kemi. Denna och framtida studier som använder CSR ger brett tillämpliga data. Med tanke på den förestående uppskjutningen av rymdteleskopet James Webb, laboratorieastrofysikens nya kapacitet är särskilt läglig, sedan dess sökande efter de första lysande objekten och galaxerna efter Big Bang kommer att dra stor nytta av tillförlitliga förutsägelser om tidig universumkemi.