Reações químicas do Big Bang com HeH+ são recriadas em laboratório

As primeiras reações químicas que aconteceram depois do Big Bang foram reproduzidas pela primeira vez em condições semelhantes às do Universo ainda “bebé”.

Um grupo de físicos liderado por Florian Grussie, do Instituto Max Planck de Física Nuclear (MPIK), na Alemanha, conseguiu reproduzir as reações do íon hidrido de hélio (HeH⁺) - uma molécula formada quando um átomo de hélio neutro se combina com um átomo de hidrogênio ionizado.

Essas etapas iniciais abrem caminho para a formação do hidrogênio molecular (H₂), a molécula mais abundante do Universo e o material do qual as estrelas nascem. Por isso, o novo trabalho ajuda a esclarecer alguns dos processos mais antigos que moldaram o cosmos tal como o conhecemos.

Química logo após o Big Bang

O “parto” do Universo, há cerca de 13,8 bilhões de anos, produziu uma mistura quente e extremamente densa de partículas fundamentais, em temperaturas tão elevadas que ainda não era possível formar átomos.

Foram necessários aproximadamente 380.000 anos para que núcleos e elétrons perdessem energia o suficiente e, então, se unissem, dando origem aos primeiros elementos. Esses elementos eram os mais leves da tabela periódica: cerca de 75% de hidrogênio, 25% de hélio e pequenas quantidades de lítio.

Até hoje, o hidrogênio continua no topo da “lista de ingredientes” do Universo, na forma de nuvens de gás molecular que geram os fornos estelares onde surgem os elementos mais pesados - seja por fusão, seja por explosões violentas.

O papel do íon hidrido de hélio (HeH⁺) no resfriamento do Universo

Ainda assim, nada disso aconteceria sem o HeH⁺ - uma molécula que, segundo os cientistas, teve um papel enorme ao ajudar a resfriar o Universo a ponto de permitir que nuvens moleculares se contraíssem o bastante para atingir a densidade necessária e colapsar sob a própria gravidade, formando as “sementes” de estrelas recém-nascidas.

Isso ocorre porque o HeH⁺ apresenta uma separação relativamente grande entre suas cargas positiva e negativa. Na presença de um campo elétrico, uma molécula com grande separação de cargas sofre uma mudança de energia que contribui para dissipar calor. Em teoria, portanto, o HeH⁺ foi decisivo para preparar o terreno para o aparecimento das primeiras estrelas.

Experimento no Anel de Armazenamento Criogênico do MPIK

Os pesquisadores realizaram os testes no Anel de Armazenamento Criogênico do Instituto Max Planck, uma instalação projetada para executar experiências em vácuo e em temperaturas apenas alguns graus acima do zero absoluto - por volta de -267 °C (-449 °F) - reproduzindo as condições do espaço profundo.

Nesse ambiente, a equipa analisou com cuidado as interações entre o HeH⁺ e um átomo de hidrogênio com um nêutron extra no núcleo, conhecido como deutério. Quando o HeH⁺ interage com o deutério, o resultado é um átomo de hélio neutro e uma molécula composta por um átomo de hidrogênio neutro e um átomo de deutério carregado (HD⁺), com níveis de energia mais baixos do que os dos componentes iniciais.

Dentro do anel, os cientistas dispararam dois feixes de partículas: um contendo moléculas de HeH⁺ e outro com deutério neutro. Para alterar a energia com que as partículas colidiam (como um substituto para a temperatura), eles variaram a velocidade dos dois feixes, a fim de verificar se a temperatura influenciaria a taxa da reação.

A influência não apareceu. A velocidade com que a reação ocorreu manteve-se constante, independentemente da temperatura “substituta” - o que indica que a função do HeH⁺ no Universo primordial não diminuiu à medida que o resfriamento avançava e que sua contribuição para a formação da primeira geração de estrelas foi relevante.

"Previous theories predicted a significant decrease in the reaction probability at low temperatures, but we were unable to verify this in either the experiment or new theoretical calculations by our colleagues," explica o físico Holger Kreckel, do MPIK.

"The reactions of HeH⁺ with neutral hydrogen and deuterium therefore appear to have been far more important for chemistry in the early Universe than previously assumed."

A pesquisa foi publicada na revista Astronomia e Astrofísica.