I fisici riportano le prime misurazioni di laboratorio delle reazioni di elettroni con ioni di elio idruro nell'anello di stoccaggio criogenico CSR presso il Max Planck Institute for Nuclear Physics di Heidelberg. A temperature fino a 6 K, le velocità di reazione che distruggono la molecola sono risultate significativamente inferiori rispetto alle precedenti misurazioni a temperatura ambiente. Ciò si traduce in un'abbondanza fortemente potenziata di questa molecola primordiale che agisce come refrigerante per la prima formazione di stelle e galassie nell'universo primordiale.

Appena tre minuti dopo il Big Bang, la composizione chimica dell'universo è stata risolta:75 per cento di idrogeno, 25% di elio, e tracce di litio, tutto creato dalla nucleosintesi primordiale. Però, in questo primo stato, tutta la materia era completamente ionizzata, costituito da nuclei nudi liberi e un gas di elettroni caldo, un plasma "nebbioso" per la radiazione di fondo cosmologica.

400 circa, 000 anni dopo, l'universo in espansione si è raffreddato fino a un livello in cui elettroni e nuclei hanno iniziato a combinarsi in atomi neutri. Lo spazio è diventato trasparente, ma non erano ancora nate stelle; così, questa era è chiamata "età buia". Man mano che la temperatura scendeva ulteriormente, le collisioni di elio neutro con protoni liberi ancora abbondanti hanno formato la prima molecola:lo ione elio idruro (HeH⁺), che segna l'alba della chimica. HeH+ e altre specie molecolari precoci hanno svolto un ruolo essenziale nel raffreddamento delle nubi di gas primordiali tramite emissione infrarossa, un passo necessario per la formazione stellare.

La comprensione e la modellizzazione di questi ultimi processi richiedono una conoscenza dettagliata delle abbondanze e delle velocità di reazione delle molecole rilevanti. Però, le informazioni finora sono state piuttosto limitate, in particolare nel regime di bassa temperatura ( <100 K) della tarda età buia, circa 300 milioni di anni dopo il Big Bang, quando si formarono le prime stelle. Molto recentemente, HeH⁺ è stato scoperto nella nostra galassia rilevando la sua emissione nel lontano infrarosso.

L'abbondanza di HeH⁺ è determinata in modo critico da reazioni distruttive. A basse temperature, questa è dominata dalla cosiddetta ricombinazione dissociativa (DR) con elettroni liberi:una volta neutralizzata da una cattura di elettroni, l'idruro di elio si dissocia in atomi di elio e idrogeno. I risultati precedenti disponibili nelle tabelle di dati per le velocità di reazione erano basati su esperimenti di laboratorio a temperatura ambiente. In queste condizioni, le molecole sono in stati rotazionali altamente eccitati che si sospettava potessero influenzare i processi di cattura degli elettroni.

Al fine di ottenere informazioni sul comportamento a bassa temperatura, i fisici della divisione di Klaus Blaum presso l'Istituto Max Planck di Heidelberg per la fisica nucleare (MPIK) hanno studiato le collisioni di HeH⁺ con gli elettroni nell'anello di stoccaggio criogenico dell'istituto CSR. Questa struttura unica è stata progettata e costruita per l'astrofisica di laboratorio in condizioni simili allo spazio per quanto riguarda temperatura e densità. Il CSR fornisce un ambiente con temperature inferiori a 10 K e un ottimo vuoto (osservato fino a <10⁻¹⁴ mbar). I ricercatori hanno studiato la ricombinazione utilizzando un bersaglio elettronico in cui il fascio di ioni immagazzinato è immerso in un fascio di elettroni co-propagante su una distanza di circa un metro (Figura 1). Le velocità relative possono essere sintonizzate fino a zero, che fornisce l'accesso a energie a bassissima collisione. I prodotti di reazione dalla zona di interazione elettrone-ione vengono rilevati a valle, fornendo così velocità di reazione assolute (Figura 1).

A una temperatura di 6 K all'interno del CSR, gli scienziati hanno osservato che gli ioni HeH⁺ immagazzinati si raffreddavano fino allo stato fondamentale di rotazione entro poche decine di secondi. Durante questo processo di raffreddamento radiativo, i ricercatori hanno seguito la popolazione dei singoli stati rotazionali e hanno estratto la probabilità DR selettiva dello stato (Figura 2).

"Troviamo che i tassi di ricombinazione elettronica per i livelli rotazionali più bassi di HeH⁺ siano fino a un fattore di 80 al di sotto dei valori forniti finora nelle tabelle dei dati, "dice Oldřich Novotný, ricercatore principale dell'esperimento. "Questa drammatica diminuzione è in gran parte dovuta alle temperature più basse utilizzate nelle nostre misurazioni di laboratorio. Si traduce in un'abbondanza fortemente migliorata di questa molecola primordiale nell'era della formazione delle prime stelle e galassie".

Il nuovo risultato, ora dotato di dettagli inediti, è di grande rilevanza sia per la comprensione della reazione stessa sia per la modellazione dell'universo primordiale. Per la teoria della collisione, HeH⁺ è ancora un sistema impegnativo. Qui, le misurazioni aiutano a confrontare i codici teorici. Le velocità di reazione DR sperimentali, ora disponibile per varie energie di elettroni e stati rotazionali, possono essere tradotte nelle proprietà ambientali utilizzate nei calcoli dei modelli per la chimica del gas primordiale. Questo e futuri studi futuri che utilizzano la CSR forniscono dati ampiamente applicabili. Considerando l'imminente lancio del James Webb Space Telescope, le nuove capacità dell'astrofisica di laboratorio sono particolarmente tempestive, poiché la sua ricerca dei primi oggetti luminosi e galassie dopo il Big Bang trarrà grandi benefici da previsioni affidabili sulla chimica dell'universo primordiale.