مطيافية الكيمياء الفلكية

في أبرد وأحلك زوايا الفضاء، تُغطى حبيبات الغبار المجهرية بالجليد، مثل نافذة في يوم بارد. هذا الجليد ليس مجرد ماء متجمد: فهو يحتوي على أول أكسيد الكربون (CO) وثاني أكسيد الكربون (CO₂). من هذا الجليد تحديدًا قد تتشكل المذنبات والكواكب لاحقًا. ومع ذلك، ظل من غير الواضح حتى الآن كيف تؤثر الحبيبة نفسها، التي تعمل كركيزة لهذا الجليد، على خصائصه.

أوركسترا مزدحمة تعزف كل آلةٍ مقطوعتها الخاصة، وتحاول أنت أن تلتقط صوتًا خافتًا لناي نادر — لحنه يغرق في أصوات الكمانات والأبواق. هكذا تقريبًا تبدو مطاردة الجزيئات في السحب بين النجمية: التلسكوبات تلتقط «أصواتًا راديوية» لمواد عديدة، وتمييز الإشارة المطلوبة وسط الضجيج مهمة صعبة.

لما يقرب من نصف قرن، بحث علماء الفلك بشكل منهجي عن الجلايسين في الوسط بين النجمي، وهو أبسط حمض أميني وأحد اللبنات الأساسية للبروتينات. ومع ذلك، بدلاً من الجزيء المتوقع، تم اكتشاف ميثيل الكربامات في سحابة جزيئية كثيفة تحيط بنجم حديث الولادة، وهو أيزومر بنيوي له: مركب له نفس مجموعة الذرات ولكن بترتيب مكاني مختلف.

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.

رائحة الخبز الطازج تدل بلا خطأ على قرب المخبز. لكن لفهم ما إذا كان الخبز يُخبز في هذه اللحظة، الأهم ليس التقاط الرائحة نفسها، بل التقاط زيادتها — التدفق المستمر للهواء الساخن من الفرن. هذا التشبيه اليومي يساعد على فهم ثورة في البحث عن حياة خارج الأرض على الكواكب الخارجية — كواكب خارج النظام الشمسي.

يقوم أخصائي علم الأمراض بتلوين شريحة نسيجية بالهيماتوكسيلين والإيوسين — فتتلوث الخلايا بالأزرق والوردي، وتحت المجهر يظهر شكلها وترتيبها. لكن لا يمكن قراءة الجينات النشطة في كل خلية من هذه الصورة. لهذا يلزم فحص منفصل ومكلف يُظهر نشاط آلاف الجينات دفعة واحدة، لكنه نادراً ما يُجرى.

كل جزيء يشبه لعبة تركيب من الذرات: يمكن تجميع القطع نفسها بطرق مختلفة. التجميعان اللذان يحتويان على نفس مجموعة الذرات لكن بترتيب هندسي مختلف يُطلق عليهما اسم الأيزومرات (isomers). إذا كان أحدهما يُشتق من الآخر بمجرد دوران حول رابطة، فهما مُطابِقان (conformers)، مثل ذراع مثنية وأخرى ممدودة.

التلسكوبات الراديوية رصدت خطوطًا طيفية للإشعاع الصادر عن المصدر الساخن المتراص G358.93-0.03 MM1 — وهو شرنقة يتشكل بداخلها نجم أولي ضخم. وفي هذا الإشعاع، تم تحديد خطوط الغليكولاميد — وهو جزيء مبني على هيكل كربوني. الغليكولاميد هو أيزومر بنائي للغليسين، وهو أبسط حمض أميني يدخل في تركيب البروتينات.

قبل وقت طويل من اشتعال نجم داخل سحابة غازية، تكون الحياة الكيميائية قد بدأت بالفعل هناك. في كتل الغاز الباردة والكثيفة – التي تُسمى النوى عديمة النجوم – تلتصق الذرات معًا لتكوّن جزيئات، بسيطة ومعقدة. لرؤية هذا المطبخ غير المرئي، وجّه علماء الفلك تلسكوبًا راديويًا قطره 40 مترًا في ييبيس نحو 23 من هذه السحب في سديم الجبّار.

رُصد المذنب 3I/ATLAS عند دخوله المجموعة الشمسية من الفضاء بين النجمي. قام تلسكوب جيمس ويب بتحليل ضوء سحابة الغاز المحيطة به إلى طيف - طيف - حيث ظهرت في هذا النمط خطوط لجزيئات نادرة تحوي الديوتيريوم (الهيدروجين الثقيل).

المجهر النفقي الماسح يلمس الجزيء بإبرة فائقة الدقة ويرسم تضاريسه. لكن الصورة مسطحة، بينما الجزيء ثلاثي الأبعاد. كيف يمكن تخمين وضعية شخص من ظلّه على الحائط؟ بنى العلماء «مترجمًا من الظلال إلى الأبعاد» — شبكة عصبية تستعيد الشكل ثلاثي الأبعاد للجزيء من بصمته. أولًا، دُرّبت الشبكة على ملايين الصور الاصطناعية. احتسب الحاسوب كيف سيبدو الجزيء تحت المجهر لو استلقى بهذه الطريقة أو تلك.

في مطبخ يُطهى فيه الحساء ويُشوى اللحم ويُخبز الخبز في الوقت نفسه، يحدث كل شيء في قدر واحد. هكذا تقريبًا تبدو المنطقة الجزيئية المركزية (CMZ) — وهي تجمع كثيف من الغاز في قلب درب التبانة. هنا، على بُعد بضع مئات من السنين الضوئية فقط من الثقب الأسود الهائل القوس A*، يتصرف الغاز بشكل غير عادي: فهو تارة ينضغط، وتارة يسخن، وتارة يصطدم بنفسه.

عندما يطبخ الطاهي طبقًا، ليست نسب المكونات هي المهمة فحسب، بل كميتها الإجمالية أيضًا. فكعكتان بنفس نسبة السكر إلى الدقيق، لكن من حصتين مختلفتين في الحجم، ستكونان مختلفتين. وكذلك الحال مع الأقراص حول النجوم الفتية: الكربون والأكسجين هما «التوابل» الرئيسية، وكميتهما المطلقة تغيّر مظهر «المطبخ» الكوني لا تقل عن نسبتهما.

في السحب المظلمة الباردة حيث تبدأ النجوم بالتشكل للتو، ترتدي حبيبات الغبار معاطف جليدية. هذا الجليد ليس مجرد ماء متجمد: ففيه يذوب ثاني أكسيد الكربون والميثانول والأمونيا وجزيئات أخرى. وجّه علماء الفلك تلسكوب جيمس ويب الفضائي نحو أربعة من هذه النجوم الرضيعة وحلّلوا ضوءها إلى طيف، مثل قوس قزح، لمعرفة مكوّنات الجليد.

المادة المظلمة تشبه الغراء غير المرئي الذي يمسك المجرات ببعضها. إنها لا تُصدر ضوءًا، لكن إذا تصادمت جسيماتها فقد يومض إشعاع غاما. بحث العلماء عن مثل هذه الومضات في المجرات القزمة — وهي تجمعات نجمية صغيرة حيث تكون المادة المظلمة وفيرة جدًا والمادة العادية شبه معدومة. الأمر أشبه بالبحث عن همس في غرفة هادئة: كلما قلّ الضجيج، كان الاستماع أسهل.

المجال المغناطيسي يحيط بنا في كل مكان: من البوصلة في الهاتف إلى جهاز التصوير بالرنين المغناطيسي في المستشفى. لقياسه بدقة عالية، نحتاج إلى مواد خاصة تستجيب لأدق التغيرات في المجال. ومن هذه المواد البلورات الجزيئية، حيث يمكن أن تحافظ لفات الإلكترونات (ما يشبه "القمم الدوارة") على حالتها لفترة طويلة.

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.

في سحابة غازية باردة قرب مركز مجرتنا، والتي يرمز لها علماء الفلك بـ G+0.693-0.027، يختبئ مختبر كيميائي حقيقي. هناك، بعيدًا عن النجوم، على سطح حبيبات غبار متناهية الصغر — بحجم جزيئات الدخان — تلتصق الذرات لتكوّن جزيئات، مثلما تتجمع العجينة على طاولة المطبخ. مؤخرًا، وجّه العلماء إلى هذه السحابة تلسكوبين راديويين كبيرين وسجّلوا «صوتها الراديوي» — الطيف الذي تترك فيه كل جزيئة بصمتها الفريدة.

في مركز مجرتنا توجد غابة كثيفة من الغبار والغاز. ضوء النجوم يجد صعوبة في اختراق هذه الغابة، مثل مصباح يدوي في الضباب. ولكن هناك تحديدًا، في هذه السحابة الكثيفة، تولد نجوم جديدة. قرر العلماء النظر إلى هذا الضباب. أخذوا ضوء 15 نجمًا ساطعًا تشع عبر السحب الباردة. الجليد على حبيبات الغبار في هذه السحب يترك بصمته في الضوء، مثل بصمات الأصابع. من خلال هذه البصمات يمكن معرفة مكونات الجليد.

يعيد علماء الفلك بناء تاريخ المجرات من صورها البصرية، تمامًا كما يقرأ الجيولوجي ماضي الكوكب من طبقات الصخور. تقليديًا، تم استخدام نهجين: التحليل الطيفي — وهو تفكيك الضوء إلى خطوط طيفية تكشف التركيب الكيميائي وحركة النجوم — وهو مكلف ويستغرق وقتًا طويلاً، أو الفوتومتري — وهو تصوير عبر مجموعة من المرشحات الضوئية، ويعطي تقديرات تقريبية فقط للسطوع واللون.

قبل مئة عام، كانت المراصد المغناطيسية تسجل فقط التنفس البطيء لنواة الأرض. اليوم، تتحول بياناتها إلى أرض صيد لفيزياء الجسيمات. في مرصد إسكداليمور شمال إنجلترا، تُسجل تذبذبات المجال المغناطيسي كل جزء من مئة من الثانية. عشر سنوات من هذه التسجيلات، أي 9909 مقطعاً مدة كل منها ثماني ساعات، أصبحت فخاً لشبح: الفوتون المظلم.

مثل المتسابقين في سباق طويل، تتسابق نوى الذرات - من الهيليوم الخفيف إلى الحديد الثقيل - عبر المجرة بأكملها نحو الأرض. عند خط النهاية، في الكاشف الموجود على منطاد على ارتفاع عالٍ، نرى أن النوى الثقيلة تصل أكثر إرهاقًا قليلًا من النوى الخفيفة. الفرق صغير، لكنه يتكرر من رحلة إلى أخرى.