宇宙大爆炸最初几秒温度、密度极高，随后3～20分钟迅速冷却形成氢和氦，之后处于极度炽热、稠密、不透明的电浆状态，统称“早期宇宙”，约38万年后，宇宙进入“黑暗时期”开始形成中性原子。
而最近研究发现，氦合氢离子（HeH⁺）与中性氢、氘的反应速率并不会随着温度降低（宇宙逐渐冷却）而减慢，显示其对宇宙早期化学反应与恒星形成的重要性超出预期。
在进入黑暗时期前，宇宙是团极炽热、稠密的电浆“汤”，充满自由质子、电子和光子，但光子因不断被自由电子散射，无法直线传播，所以宇宙完全不透明，我们至今都无从看见这段期间的宇宙面貌。
大爆炸后约38万年宇宙进入“黑暗时期”，此时宇宙温度终于冷却到质子、电子可以结合形成中性氢原子（该过程称为复合），光子也不再被电子散射而能自由传播，这些被释放出的古老光芒就是宇宙微波背景辐射（CMB），也是人类目前观测宇宙面貌的极限。
然而第一批恒星和星系在黑暗时期仍未形成，此时整个宇宙弥漫几乎均匀的中性氢气和氦气云，以及看不见的暗物质。
氦氢化离子（HeH⁺）是宇宙最古老分子，也是一连串联锁反应源头，最终形成至今宇宙最常见的分子氢（H₂），这些简单分子在黑暗时期（大爆炸后38万年～4亿年）对早期恒星的形成至关重要，它们是当时仅有的有效冷却剂，负责冷却气体云促进塌缩。
由于明显的偶极矩，HeH⁺ 离子在低温下仍能有效促进冷却，长期被认为是第一颗恒星形成的重要人物，或者说宇宙HeH⁺ 离子浓度可能明显早期恒星形成的有效性。
与游离氢原子的碰撞是HeH⁺ 离子主要降解途径，能形成中性氦原子和H₂⁺ 离子，随后再与另一个氢原子反应形成中性H₂ 分子。
最近，德国马克斯·普朗克核物理研究所团队首次在类似早期宇宙的条件下，成功再现此反应过程，研究HeH⁺ 离子与氘（氢同位素）反应后，发现会形成HD⁺ 离子而不是H₂⁺，同时生成中性氦原子。
且与之前预测相反，HeH⁺ 离子与氘的反应速率并不会随温度降低而减慢，而是几乎保持恒定，表明HeH⁺ 与中性氢、氘的反应对早期宇宙化学重要性远超以往假设。
过去的宇宙学模型可能低估HeH⁺ 在早期宇宙冷却的作用，新实验数据能帮助改善早期宇宙化学模型，使其更准确描述大爆炸后几十万年内物理和化学过程。
此外，研究结果也代表早期气体云可能比以前想象更快达到塌缩所需低温，从而加速首批恒星形成过程。
新论文发表在《天文与天体物理学报》（Astronomy & Astrophysics）。
（首图来源：AI生成）
