这里有个冷知识，足以让最懂科学的朋友都挠头：什么是宇宙中最强的酸，其反应性之强以至于无法在 pH 尺度上测量？或者试试这个：宇宙中形成的第一个分子是什么，比水，甚至比分子氢还要早？在你的“受害者”苦苦思索时，你可以给一个嘲弄的提示：这两种化合物实际上是同一个。
出人意料的答案是……氢氦化物，HeH+。布鲁塞尔自由大学的 Jerome Loreau 称之为“神秘分子”（或者更准确地说，“神秘离子”，因为它带电），这并非没有道理。你的化学老师可能教过你，作为惰性气体的氦，从不与任何物质反应，但事实证明这完全不准确——至少，在某些高度特殊的条件下是这样。氢氦化物是如此的鲜为人知，以至于许多天文学家从未听说过它，尽管它标志着宇宙演化中的一个关键转折点。这是化学诞生以及恒星、行星和生命本身出现的第一步。
这引出了氢氦化物最神秘的一点。“我们无法观测到它，”Loreau 羞怯地说。“它似乎在太空中某种程度上是不可见的。”
不仅是氢氦化物，研究人员也看不到其他第一代分子。这些缺失的部分构成了宇宙历史中一整页被撕掉的书页，一个恰如其分地被称为“黑暗时代”的重要时期。
黑暗的熔炉
起初，在大爆炸之后不久，宇宙是物质和辐射交织的热腾腾的混沌。随着宇宙的膨胀，它不断冷却。一旦温度降至约 4000 开尔文，即大爆炸后 38 万年，质子就可以与电子结合形成氢原子。与之前的粒子汤不同，氢是透明的，允许辐射在此时黑暗的宇宙中自由传播。
来自那个时期的辐射至今仍然很容易被探测到，即宇宙微波背景辐射，它是 20 世纪 60 年代大爆炸理论的决定性证据。另一方面，物质则从视野中消失了。天文学家接着能看到的是几亿年后形成的一些相当发达的原星系。
在这漫长的时间间隔里发生了什么？没错。黑暗时代。
尽管我们无法看到黑暗时代，但我们对当时发生的事情有了一定的了解。大爆炸模型精确地描述了宇宙的初始构成：氢、氦、少量的氘（一种重氢）以及微量的锂。仅此而已。至于它们在做什么，一旦宇宙冷却到足以形成氢原子，也足以让这些元素开始相互作用并结合成分子。换句话说，宇宙变黑的那一天，也是化学开始的那一天。
“化学相对简单。这是一个非常干净的化学实验室，”佐治亚大学的 Phillip Stancil 说。与布鲁塞尔的 Loreau 一样，Stancil 也研究过氢氦化物，但他更广泛地研究早期宇宙中不断变化的化合物混合物。（两人也曾在哈佛大学的 Alex Dalgarno 门下学习，他是该领域的先驱；只有极少数人愿意将职业生涯奉献给无法观测的事物。）
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这项工作让我们知道，氢氦化物是宇宙中第一个原子对，是氦原子和质子（氢原子核）之间的电吸引。这种裸露质子的存在使氢氦化物成为一种强大的酸，随时准备与任何迎面而来的物质结合。一旦氢氦化物出现，它就引发了第一个分子氢的形成——两个氢原子结合在一起。随后很快出现了所有其他可能的原子组合，包括氦-锂和 H3+，一种三原子氢分子，它们在地球上都太不稳定而无法自然存在。看见星星
化学的出现对宇宙产生了变革性的影响，这归因于原子氢的一个奇特属性：如果你拿一大团氢原子让它坍缩，它会越来越热，直到所有被束缚的能量阻止它进一步收缩。你最终得到一个更小的云团，没有任何明确的结构。一个仅由原子氢组成的宇宙是一个无聊的宇宙。
有了氢氦化物，一切都开始改变。由此产生了第一个氢分子，而随着分子氢的出现，现代宇宙诞生了。“分子提供了一种在坍缩过程中移除能量的机制，”Stancil 解释说。分子可以辐射出能量，使云团冷却并继续坍缩。氢分子不是最好的冷却剂，但它们足以使数百万倍于太阳质量的巨大气体云坍缩。这些云团成为了第一批恒星。经过数十万年，甚至可能是一百万年，黑暗开始消散。
JWST 望远镜可能揭示一些宇宙中最古老的分子。NASA/MSFC/David Higginbotham/Emmett Given
第一批恒星是庞大而不稳定的“野兽”，它们在其核心中迅速锻造出更重的元素，然后作为明亮的超新星爆炸。爆炸产生的碳、氧和硅随后散布到周围的气体中，开启了宇宙化学的第二阶段。两种新化合物——水和一氧化碳——使得气体云能够更有效地冷却，形成了数量庞大的较小恒星。新形成的尘埃颗粒创造了促进复杂化学反应的固体表面。氢和氦的酸性混合物演变成了闪耀的星系的宇宙。
在这个第一缕光芒的时代，可能发生了更令人瞩目的事情。哈佛大学的 Avi Loeb 指出，太空的整体温度约为 300 开尔文（约 80 华氏度——基本是室温），这意味着整个宇宙都处于宜居带。
与此同时，所有爆炸的恒星都在泵出碳、氧、氮、磷……这些生物学的基本元素。Loeb 将每一颗爆炸的恒星想象成一个孵化器，在其周围创造出一个充满生命必需元素的泡泡，并猜测黑暗时代的结束是否也是宇宙变得生机勃勃的那一刻。追寻黎明分子
如此丰富的历史隐藏在人眼之外！幸运的是，一些原始化合物的痕迹在黑暗时代之后得以延续。化学计算表明，氢氦化物应该在遥远星系和超新星周围的气体云中，甚至在现代行星状星云（衰老类太阳恒星喷射出的气体壳）中可见。然而，寻找它的努力却一无所获。
ALMA 望远镜 ALMA (ESO NAOJ/NRAO)
“它没有被观测到，但这并不意味着它不存在，”Stancil 说。“它只是低于探测极限。”他指出，天文学家直到 20 世纪 90 年代才发现化学上重要的分子 H3+，“因为我们只是不知道该去哪里寻找。”
至于氢氦化物，他对自己未来几年将推出的两台新天文台感到一丝乐观：ALMA，位于智利的射电望远镜阵列，以及詹姆斯·韦伯太空望远镜，哈勃的巨大继任者。它们可能不够灵敏，无法看到单个第一代恒星，但如果是一个星团，它们可能足够明亮，能够照亮早期分子，最终使其可见。
Stancil 对漫长的等待似乎并不在意：“我们的模型还有很多工作要做。可能在我们准备好模型时，韦伯望远镜也准备好开始观测了。”
Loreau 同样表现出一种禅意的平静。“研究氢氦化物的人不多，”他说，“但我希望有人会继续尝试寻找它。”也许那时它将不再是一个冷知识问题。
