تكوين الجزيئات في الكيمياء الفلكية

في اللحظات الأولى، تمدد الكون بسرعة هائلة. تُسمى هذه العملية بالتضخم، والقوة الدافعة هي حقل الإنفلاتون. طاقته دفعت الفضاء بعيداً، مثلما ترفع الخميرة العجين. لكن لدى الفيزيائيين شك: ربما بقيت في العجين «فقاعات» — جسيمات فائقة الثقل وُلدت من التمدد نفسه. درس مؤلفو العمل نماذج حيث يرتبط الإنفلاتون ببعد إضافي.

النجم AB Aur نجمٌ فتِيّ يبلغ عمره حوالي 4 ملايين سنة. يدور حوله قرص كثيف من الغاز والغبار. مؤخرًا، اصطدم به ذراع غازي طويل — تدفق من المادة قادم من السحابة المحيطة. وجّه علماء الفلك التلسكوب الراديوي NOEMA نحو هذا القرص، فرأوا أن كيميائيته ليست موحّدة: فالجزء الشمالي يغلب عليه الكبريت، بينما يغلب على الجنوبي الهيدروكربونات.

في شرنقة غازية كثيفة حول نجم شاب ضخم، وكأنها في قارورة كيميائية عملاقة، تتصادم تدفقات من المادة. يتحرك أحدها بالنسبة لنا بسرعة حوالي 11 كيلومترًا في الثانية، والآخر حوالي 5. التقط تلسكوب أونسالا (في السويد) أصواتها الراديوية وحللها إلى مئات الخطوط الطيفية — بصمات الجزيئات. اتضح أنه في التدفق السريع، حيث يتركز معظم المواد العضوية، يحدث التأين بنشاط غير عادي.

سحابة هائلة من الغاز والغبار، باردة جدًا لدرجة أن حرارتها تكاد تكون منعدمة، أعلى بقليل فقط من الصفر المطلق. هذه هي TMC-1 في كوكبة الثور، واحدة من أحلك وأكثر مهدات الجزيئات كثافة في مجرتنا. في السنوات الأخيرة، أصبحت كنزًا حقيقيًا لعلماء الكيمياء الفلكية: فقد زاد عدد المواد المكتشفة فيها بأكثر من الضعف. ويعود الفضل في ذلك إلى مشروعين استمعا إلى السحابة بطرق مختلفة.

في السحب المظلمة والباردة من الغاز بين النجمي، لاحظ علماء الفلك منذ عدة سنوات جزيئات عطرية — مركبات أساسها حلقة البنزين (سداسي من ذرات الكربون)، كما في البنزين المألوف لدينا. أحد هذه المواد، بنزونيتريل (بنزين مع مجموعة سيانو مرتبطة)، كان يُعثر عليه حتى الآن فقط في أماكن هادئة جدًا وباردة، مثل سحابة الثور.

بالون ينتفخ من تلقاء نفسه، رغم أن أحدًا لا ينفخ فيه. هكذا تقريبًا يبدو التوسع المتسارع للكون — ولتفسيره، عادةً ما يُستدعى مفهوم الطاقة المظلمة، وهي قوة غير مرئية وغير مفهومة.

في السحب الباردة بين النجوم، تُغطى الحبيبات بالجليد كما تُغطى النوافذ بالصقيع في الشتاء. وعلى هذه القشرة الجليدية تجري تفاعلات كيميائية لا تحدث في الغاز. أحدها هو لقاء ذرة الكربون مع جزيء النيتروجين. في الغاز لا يتفاعلان تقريبًا، أما على الجليد فيتحدان فورًا دون حاجز طاقي.

مطبخ المجرة البعيدة لا يقتصر على قرصها اللامع. فحول كل نظام نجمي توجد سحابة غازية غير مرئية، مثل البخار المتصاعد من قدر الحساء. وقد نظر علماء الفلك إلى هذا البخار حول مجرات نراها كما كانت بعد مليار ونصف مليار سنة فقط من الانفجار العظيم.

عندما يقذف نجم فتي نفاثات من الغاز، فإنها تصطدم بالسحابة المحيطة به، مثل قبضة تضرب وسادة. عند نقطة الاصطدام، ينضغط الغاز ويسخن — فتتولد موجة صدمة. في هذه المنطقة الساخنة، تتصادم الذرات والجزيئات البسيطة وتتجمع لتكوين مركبات أكبر. وتسمى هذه الجزيئات العضوية المعقدة. هذه الجزيئات هي لبنات بناء الحياة المستقبلية، وفهم كيفية نشوئها أمر مهم لعلم الفلك الكيميائي بأكمله.

البلازما هي غاز انفصلت فيه الإلكترونات عن الذرات، وهو موصل للكهرباء. في الفضاء، غالبًا ما يكون هذا الغاز منخفض الكثافة لدرجة أن الجسيمات نادرًا ما تتصادم، ويُوصف سلوكه بمعادلات حركة كل جسيم على حدة. الطريقة الحاسوبية المعروفة باسم Particle-in-Cell (PIC) تفعل ذلك تمامًا: فهي تتابع ملايين الجسيمات والمجالات الكهربائية التي تولدها. لكن الفضاء ليس ثابتًا.

الجسم الجليدي أروكوث يشبه رجل الثلج: كرتان ملتصقتان ببعضهما. هناك العديد من هذه الأجسام ذات الرأسين خلف مدار نبتون، في حزام كايبر. لفترة طويلة، كان يُعتقد أنها تنشأ من تصادم بطيء بين جسمين منفصلين. النمذجة الجديدة تُظهر مسارًا مختلفًا. سحابة من الحصى الصغيرة حول الشمس الفتية تنضغط بفعل جاذبيتها الذاتية. لا تتكتل الحصى في كرة واحدة، بل في كتلتين متجاورتين تلتحمان معًا بلطف.

في سحابة مظلمة وباردة بين النجوم، تلتقط حبيبة غبار بحجم جزء من ألف من المليمتر جزيئات خفيفة على سطحها. يلتصق أول أكسيد الكربون والهيدروجين بسطحها مثل قطرات المطر على الزجاج، ويخوضان تفاعلًا. بعد عدة خطوات، يتشكل الميثانول — وهو الكحول نفسه الذي يدخل في تركيب سائل غسيل الزجاج.

في سحابة تولد فيها نجوم ضخمة، توجد نواة كثيفة ساخنة. وكما يحدث في مطبخ مزدحم حيث تتصاعد الروائح من حرارة الموقد، هنا أيضًا تسبب حرارة النجوم الفتية تبخر الجزيئات من سطح حبيبات الغبار الكوني. وجّه علماء الفلك مصفوفة الهوائيات الكبيرة ALMA في صحراء أتاكاما التشيلية نحو مثل هذه النواة — G358.93-0.03 MM1 — ورصدوا لأول مرة إشارة راديوية لحمض النمل.

في ورش المجوهرات، لا يُخلط الذهب مع الروثينيوم: فالأول لين ولامع، والثاني صعب الانصهار وهش. لكن على المقياس النانوي، يندمج المعدنان في سبيكة واحدة، تبدأ عند التسخين في الانفصال، مثل الزيت والماء في مرق يبرد. هذا السلوك بالتحديد هو ما صوره الباحثون وهم يدرسون جسيمات أصغر من جزء من مائة من سمك الشعرة. في البداية، تمثل الجسيمات النانوية خليطًا متجانسًا من الذهب والروثينيوم بترتيب مكعب للذرات.

التفاعل الكيميائي العادي يشبه كرة تتدحرج على منحدر: له مسار طبيعي واحد. لكن إذا وضعنا الجزيئات في صندوق مرايا مصغّر — مرنان ضوئي دقيق — فإن الضوء بداخله يبدأ بالتدخل في حركة الكرة. قد يدفعها أو يمسكها أو حتى يشطر مسارها إلى اثنين. في عمل جديد، تتبع الفيزيائيون كيف يحدث ذلك بالضبط. أخذوا نموذجًا بسيطًا لجزيء — بئران يفصل بينهما ممر جبلي — وربطوه باهتزازات أجزاء أخرى من الجزيء أو المذيب.

في السحب الباردة من الغاز بين النجمي، يختبئ الكربون داخل جزيئات أول أكسيد الكربون (CO)، مثل السكر المذاب في الشاي. لكن بالقرب من النجوم الضخمة الحارة، يغلي هذا «الشاي»: فالإشعاع القاسي يمزق الجزيئات، ويخرج الكربون إلى الخارج كذرات أو أيونات منفردة. رؤية الحالات الثلاث معًا من الأرض كانت مستحيلة بسبب الغلاف الجوي الذي يمتص الموجات المطلوبة.