分子氢（H2）是宇宙中最丰富的双原子分子之一，也是恒星形成过程中最重要的分子之一。从第一批恒星诞生到今天的星系演化，H2 都扮演着连接气体冷却、分子云形成和恒星诞生的重要角色。一个长期困扰天文学家的问题是：在寒冷的星际空间中，氢原子如何能够如此高效地结合形成分子氢？由于其过渡态缺乏电磁偶极矩、难以耗散能量，尽管氢原子结合生成分子的过程是放热反应，但其气相直接反应的速率极低，通常认为星际介质中的氢分子形成过程大多借助尘埃催化进行。
关于尘埃催化的氢分子形成，又一个重要的谜题仍长期存在。天文观测表明，分子氢在跨度约 20–200 K 的各种环境中都能在星际尘埃上高效形成。但在裸露的尘埃颗粒表面，经典吸附理论面临着两难境地：若为物理吸附，则较高温度下氢原子的极高脱吸附率将使得结合为分子的过程无从进行；而若为化学吸附，约 0.5 eV 或更高的化学键断裂势垒又会在 20 K 时将关键的氢原子扩散和结合过程抑制超过 50 个数量级。这一矛盾长期以来被称为星际分子氢形成效率难题。
近日，北京大学与清华大学的跨学科研究团队在这一问题上取得新进展。研究团队成员包括北京大学博士生杨晓龙、北京大学科维理天文与天体物理研究所助理教授王力乐，清华大学天文系讲席教授李菂，以及北京大学材料学院助理教授许审镇。研究团队发现，氢原子的核量子效应（尤其是量子隧穿和零点能）能够显著影响尘埃表面的反应过程，降低氢原子结合过程中的有效活化能垒，使其能够突破经典理论预测的高能垒限制，在低温星际环境中形成分子氢。
研究团队建立了一套跨越原子尺度和天体物理尺度的多尺度模拟框架。该方法结合了基于第一性原理数据训练的机器学习模型、量子力学路径积分模拟以及动力学蒙特卡洛方法，系统研究了氢分子形成过程中的关键步骤，包括氢原子吸附、表面迁移、结合以及脱附过程。
为了研究不同尘埃组成对分子氢形成的影响，研究人员分别考察了两类典型星际尘埃组分：碳质尘埃的代表模型石墨烯，以及硅酸盐尘埃的代表模型顽辉石（enstatite, MgSiO3）。研究结果表明，量子效应并不是简单地提高所有反应步骤的速率，而是会重新调控不同尘埃表面上的反应控制机制。在石墨烯表面，量子效应能够显著降低两个吸附氢原子结合形成 H2 的自由能势垒。在 50 K 条件下，该过程的活化自由能势垒降低至 30 meV 以下，使结合过程接近无势垒状态，此时氢原子的吸附成为限制 H2 形成效率的主要步骤。而在硅酸盐尘埃表面，由于氢原子的吸附过程本身几乎不存在能垒，限制步骤则转变为两个吸附氢原子的结合过程。这一差异表明，星际尘埃的化学组成会深刻影响分子氢形成机制。
研究中还产生了一个重要发现：氢原子在尘埃表面的结合过程并非只能依赖经典热运动跨越反应能垒。在量子效应的影响下，氢原子在尘埃表面展开了一场“微观尺度的量子华尔兹”。核量子效应通过量子隧穿和零点能贡献改变反应自由能景观，降低有效活化能垒，使分子氢能够在低温星际环境中高效形成。这一机制为理解宽温度范围内的分子氢形成提供了新的物理图像。与传统依赖弱结合物理吸附氢的机制不同，化学吸附氢能够稳定存在于尘埃表面，而量子效应则帮助其在低温条件下突破经典限制。因此，该研究为解释分子氢为何能够在约 20–200 K 的广泛环境中形成提供了一条基于量子力学的途径。
研究团队进一步考虑了真实星际环境中气体温度和尘埃温度可能不一致的情况。研究发现，在石墨烯表面，气尘温度差异会明显影响分子氢形成效率；而在顽辉石表面，由于氢吸附过程较容易发生，这种影响相对较弱。这一结果为理解不同天体环境中尘埃组成和温度条件如何共同调控分子氢丰度提供了新的线索。该研究还为连接微观量子过程和宇宙尺度演化模型提供了新的理论基础。此前的宇宙学和星系形成模拟研究发现，经验化的分子氢形成速率有时需要额外增强才能解释高红移星系中的恒星形成现象。本研究揭示的量子机制，为这些经验增强因子提供了一种可能的微观物理来源，并为未来更加精确地连接尘埃性质、分子云演化和恒星形成过程提供理论基础。
未来，该研究框架还可以进一步用于研究新形成 H2 分子中约 4.5 eV 化学能如何分配到平动、转动和振动自由度，从而预测可能被红外和紫外光谱观测捕获的非热激发信号，并与包括 JWST 在内的现代天文观测进行比较。同时，该方法也有望推广到水冰形成、CO 连续加氢以及更复杂有机分子的星际化学过程研究。通过将量子力学、人工智能驱动的模拟方法和天体化学动力学相结合，该研究为理解宇宙中最丰富分子之一 H2 的形成提供了新的视角，也展示了多尺度计算方法在探索宇宙化学演化中的潜力。
该论文题为 “Interstellar Dust-Catalyzed Hydrogen Formation Enabled by Nuclear Quantum Effects”，已被 The Astrophysical Journal 接收发表。DOI:10.3847/1538-4357/ae82f6
量子效应提升星际尘埃表面的分子氢形成效率
研究团队通过多尺度模拟比较了石墨烯和硅酸盐尘埃表面上 H2 的形成效率。实线表示考虑氢原子核量子效应的结果，虚线表示经典理论结果。不同颜色曲线对应不同环境氢原子密度，展示了温度和气体环境对 H2 形成过程的影响。结果显示，量子效应能够显著改变低温条件下的形成效率，并且其影响取决于尘埃材料和周围环境。
