p Físicos relatam as primeiras medições de laboratório de reações de elétrons com íons de hidreto de hélio no anel de armazenamento criogênico CSR no Instituto Max Planck de Física Nuclear em Heidelberg. Em temperaturas abaixo de 6 K, as taxas de reação que destroem a molécula foram consideradas significativamente mais baixas em comparação com as medições anteriores à temperatura ambiente. Isso se traduz em uma abundância fortemente aumentada desta molécula primordial agindo como um refrigerante para a formação da primeira estrela e galáxia no universo primordial. p Apenas três minutos após o Big Bang, a composição química do universo foi estabelecida:75 por cento de hidrogênio, 25 por cento de hélio, e vestígios de lítio, todos criados por nucleossíntese primordial. Contudo, neste estado inicial, toda a matéria estava totalmente ionizada, consistindo em núcleos nus livres e um gás de elétron quente, um plasma "nebuloso" para a radiação cosmológica de fundo.

p Cerca de 400, 000 anos depois, o universo em expansão esfriou a um nível em que elétrons e núcleos começaram a se combinar em átomos neutros. O espaço se tornou transparente, mas nenhuma estrela nasceu ainda; portanto, esta era é chamada de "idade das trevas". Conforme a temperatura caiu ainda mais, colisões de hélio neutro com prótons livres ainda abundantes formaram a primeira molécula - o íon hidreto de hélio (HeH⁺), que marca o início da química. HeH + e outras espécies moleculares iniciais desempenharam um papel essencial no resfriamento de nuvens de gases primordiais por meio de emissão infravermelha, uma etapa necessária para a formação de estrelas.

p A compreensão e modelagem dos últimos processos requerem um conhecimento detalhado das abundâncias e taxas de reação das moléculas relevantes. Contudo, as informações até agora têm sido bastante limitadas, particularmente no regime de baixa temperatura ( <100 K) do final da idade das trevas, cerca de 300 milhões de anos após o Big Bang, quando as primeiras estrelas se formaram. Muito recentemente, HeH⁺ foi descoberto em nossa galáxia ao detectar sua emissão no infravermelho distante.

p A abundância de HeH⁺ é determinada criticamente por reações destrutivas. Em baixas temperaturas, isso é dominado pela chamada recombinação dissociativa (DR) com elétrons livres:uma vez neutralizado por uma captura de elétrons, o hidreto de hélio se dissocia em átomos de hélio e hidrogênio. Os resultados anteriores disponíveis em tabelas de dados para as taxas de reação foram baseados em experimentos de laboratório em temperatura ambiente. Sob estas condições, as moléculas estão em estados rotacionais altamente excitados que eram suspeitos de influenciar os processos de captura de elétrons.

p A fim de obter informações sobre o comportamento de baixa temperatura, físicos da divisão de Klaus Blaum no Instituto Heidelberg Max Planck de Física Nuclear (MPIK) investigaram colisões de HeH⁺ com elétrons no anel de armazenamento criogênico CSR do instituto. Esta instalação única foi projetada e construída para astrofísica de laboratório em condições semelhantes às do espaço em relação à temperatura e densidade. O CSR fornece um ambiente de temperaturas abaixo de 10 K e um excelente vácuo (observado até <10⁻¹⁴ mbar). Os pesquisadores estudaram a recombinação usando um alvo de elétrons no qual o feixe de íons armazenado é imerso em um feixe de elétrons em co-propagação a uma distância de cerca de um metro (Figura 1). As velocidades relativas podem ser ajustadas para zero, que fornece acesso a energias de colisão muito baixas. Os produtos de reação da zona de interação elétron-íon são detectados a jusante, fornecendo assim taxas de reação absolutas (Figura 1).

p A uma temperatura de 6 K dentro do CSR, os cientistas observaram os íons HeH⁺ armazenados resfriarem ao estado fundamental de rotação em algumas dezenas de segundos. Durante este processo de resfriamento radiativo, os pesquisadores acompanharam a população dos estados rotacionais individuais e extraíram a probabilidade de DR com seleção de estado (Figura 2).

p "Descobrimos que as taxas de recombinação de elétrons para os níveis de rotação mais baixos de HeH⁺ são até um fator de 80 abaixo dos valores dados nas tabelas de dados até agora, "diz Oldřich Novotný, investigador principal do experimento. "Esta redução dramática é em grande parte devido às temperaturas mais baixas usadas em nossas medições de laboratório. Isso se traduz em uma abundância fortemente aumentada desta molécula primordial na era da formação da primeira estrela e galáxia."

p O novo resultado, agora fornecido com detalhes sem precedentes, é de grande relevância tanto para a compreensão da reação em si quanto para a modelagem do universo primitivo. Para a teoria de colisão, HeH⁺ ainda é um sistema desafiador. Aqui, as medições ajudam a avaliar os códigos da teoria. As taxas de reação experimental DR, agora disponível para várias energias eletrônicas e estados rotacionais, pode ser traduzido nas propriedades ambientais usadas em cálculos de modelo para a química do gás primordial. Este e os estudos futuros prospectivos usando o CSR fornecem dados amplamente aplicáveis. Considerando o lançamento iminente do Telescópio Espacial James Webb, os novos recursos da astrofísica de laboratório são particularmente oportunos, já que sua busca pelos primeiros objetos luminosos e galáxias após o Big Bang se beneficiará muito de previsões confiáveis ​​sobre a química do universo inicial.