Před 13,8 miliardami let se vesmír zrodil v ohnivé explozi zvané Velký třesk. Zpočátku byl nesmírně horký a hustý – natolik, že atomy v klasickém smyslu nemohly existovat. Vše bylo směsí elementárních částic a záření. Ale jak se vesmír rozšiřoval, začal se ochlazovat a přibližně po 380 000 letech se podmínky změnily natolik, že mohlo dojít k rekombinaci – tedy vzniku neutrálních atomů vodíku a helia.

Právě v tomto období se odehrála chemická reakce, která vedla ke vzniku úplně první molekuly: heliového hydridového iontu, známého pod zkratkou HeH⁺. Tento nenápadný ion vznikl spojením neutrálního atomu helia a kladně nabitého jádra vodíku (protonu). Málokdo si uvědomuje, že právě tahle molekula otevřela cestu ke vzniku dalších sloučenin – včetně té nejběžnější ve vesmíru: molekulárního vodíku H₂.

Zdroj: Shutterstock

Tmavý vesmír a molekuly jako chladící zařízení

Po vzniku HeH⁺ se vesmír ocitl v tzv. kosmickém temném věku – období, kdy byl plný neutrálního plynu, ale ještě bez hvězd, bez světla. I když prostor již nebyl neprůhledný, bylo v něm zatím ticho. První hvězdy měly vzniknout až stovky milionů let poté.

Právě zde však jednoduché molekuly hrály klíčovou roli. Aby se z obrovských oblaků plynů mohly začít tvořit první hvězdy, musela se energie z těchto oblaků nějak odvádět – musely ochladnout. Zpočátku tuto roli hrály atomy, ale pod určitým prahem teploty (asi 10 000 °C) ztrácejí efektivitu. Tady nastupují molekuly, které díky vibracím a rotacím dokážou účinněji vyzářit energii – a právě HeH⁺ byl jeden z nejlepších kandidátů.

Laboratorní rekonstrukce pradávné reakce

Dlouho se předpokládalo, že reakce HeH⁺ s běžným vodíkem nebo jeho izotopy je při nízkých teplotách velmi pomalá – prakticky zanedbatelná. Jenže tým z Max-Planckova institutu pro jadernou fyziku v Heidelbergu to nyní dokázal zpochybnit.

Ve speciálním zařízení zvaném Cryogenic Storage Ring (CSR) se vědcům podařilo napodobit podmínky podobné těm, které panovaly v raném vesmíru. HeH⁺ ionty udržovali v prstenci o průměru 35 metrů při teplotě pouhých několika kelvinů (tedy jen lehce nad absolutní nulou) a nechali je interagovat s paprskem atomů deuteria – izotopu vodíku s jedním protonem a jedním neutronem.

Výsledek byl překvapivý: reakce probíhala i při velmi nízkých teplotách stabilně a účinně. Tím padla dlouho tradovaná představa, že chladný vesmír znamená chemický klid.

Přepsaná fyzika: Nové výpočty a staré omyly

Výsledky experimentu se navíc shodují s novými teoretickými modely. Tým teoretických fyziků vedený Yohannem Scribanem odhalil zásadní chybu v dříve používaném potenciálním povrchu – matematickém popisu sil mezi reagujícími částicemi. Po opravě tohoto modelu se ukázalo, že dřívější odhady pravděpodobnosti reakce byly značně podhodnocené.

Spojením těchto nových výpočtů a laboratorních dat se podařilo potvrdit, že molekula HeH⁺ nebyla v raném vesmíru žádnou výjimkou – naopak, šlo o častý a významný meziprodukt v řetězci reakcí vedoucích k molekulárnímu vodíku.

Co nám to říká o vzniku hvězd a života

Objev má dalekosáhlé důsledky. Potvrzuje totiž, že chemie se ve vesmíru rozběhla mnohem dříve a aktivněji, než jsme si mysleli. Právě molekuly jako HeH⁺ mohly být klíčovým článkem v chladnutí plynů, bez něhož by nemohly vzniknout první hvězdy – a s nimi ani planety, organické sloučeniny a nakonec ani život.