Büyük Patlama'nın hemen ardından, evren aşırı sıcak ve yoğundu. Birkaç saniye sonra sıcaklık, hidrojen ve helyum gibi ilk elementlerin oluşmasına yetecek kadar düştü. Ancak bu elementler hâlâ tamamen iyonizeydi ve nötr atomların oluşması yaklaşık 380.000 yıl aldı. Bu süreç, ilk kimyasal reaksiyonların başlamasına olanak tanıdı.
Evrenin oluşan ilk molekülü helyum hidrür iyonuydu (HeH+). Bu molekül, nötr bir helyum atomu ile iyonize bir hidrojen çekirdeğinin birleşmesiyle ortaya çıktı ve daha sonra evrendeki en yaygın molekül olan moleküler hidrojenin (H2) oluşumunu başlatan zincir reaksiyonun ilk adımı oldu.
Yeniden birleşmenin ardından, evrende yıldızların oluşmadığı, 'kozmik karanlık çağ' olarak adlandırılan bir dönem başladı. Ancak bu dönemde, HeH+ ve H2 gibi basit moleküller, ilk yıldızların oluşumu için kritik bir rol oynadı. Bir protostarın çekirdeğinde nükleer füzyonun başlayabilmesi için, gaz bulutunun yeterince soğuması gerekiyordu. Bu soğuma, atom ve moleküllerin çarpışmalarıyla foton yayılımı sayesinde gerçekleşti.
Ancak sıcaklık 10.000 derece Celsius'un altına düştüğünde, hidrojen atomları bu soğutma işlevini yeterince yerine getiremiyordu. Bu noktada, döndürme ve titreşim yoluyla enerji yayabilen moleküller devreye girdi. HeH+ iyonu, belirgin dipol momenti sayesinde düşük sıcaklıklarda çok etkili bir soğutucu olarak öne çıktı ve ilk yıldızların verimli şekilde oluşmasında önemli bir aday olarak görüldü.
Bu dönemde, HeH+ iyonlarının serbest hidrojen atomlarıyla çarpışması, nötr helyum ve H2+ iyonu oluşturuyordu. H2+ iyonu ise başka bir hidrojen atomuyla tepkimeye girerek nötr H2 molekülü ve bir proton meydana getiriyordu. Böylece, moleküler hidrojenin oluşum süreci tamamlanıyordu.
Heidelberg'deki Max-Planck Nükleer Fizik Enstitüsü'nden araştırmacılar, erken evren koşullarına benzer bir ortamda bu reaksiyonu ilk kez laboratuvarda yeniden yarattı. Araştırmacılar, helyum hidrür iyonunun döteryum (ekstra bir nötrona sahip hidrojen izotopu) ile tepkimesini inceledi. Bu tepkimede, H2+ yerine HD+ iyonu ve nötr helyum oluştu.
Deney, MPIK'de bulunan, uzay koşullarını taklit edebilen benzersiz bir kriyojenik depolama halkasında gerçekleştirildi. HeH+ iyonları, 35 metrelik halka içinde birkaç kelvin sıcaklıkta 60 saniyeye kadar depolandı ve nötr döteryum atomlarıyla çarpıştırıldı. Araştırmacılar, çarpışma enerjisini ayarlayarak reaksiyon oranının sıcaklıkla nasıl değiştiğini gözlemledi.
Sonuçlar, önceki öngörülerin aksine, reaksiyon hızının sıcaklık azaldıkça yavaşlamadığını, neredeyse sabit kaldığını gösterdi. Bu bulgu, önceki teorik hesaplamalarda yapılan bir hata nedeniyle yanlış tahmin edilen potansiyel yüzeyin düzeltilmesiyle de doğrulandı. Yeni hesaplamalar, deneysel sonuçlarla uyumlu çıktı.
HeH+ ve H2 gibi moleküllerin yoğunluğunun, ilk yıldızların oluşumunda önemli olduğu göz önüne alındığında, bu sonuç evrenin karanlıktan aydınlığa geçişinin anlaşılmasında önemli bir adım oldu.