تخليق كيميائي فلكي

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.

في أعماق سحابة جزيئية كثيفة، على الحدود مع منطقة الغاز المتأين، يعمل خط تجميع كيميائي غير مرئي. يأخذ المكونات الأبسط — ذرات منفردة وجزيئات خفيفة — ويجمعها خطوة بخطوة في سلاسل كربون طويلة وحلقات عطرية. الحلقة الأولى من هذا الخط ظلت لفترة طويلة بعيدة عن متناول الأرصاد. والآن تم اكتشافها.

في أعماق الفضاء المظلمة، على سطح حبيبات غبار جليدية متناهية الصغر، يجري بناء هادئ. هناك حيث تنخفض الحرارة إلى ما يقارب الصفر المطلق، وحولها إشعاع قاسٍ، يتحد الحمض الأميني العادي الجلايسين (أبسط لبنة بروتينية) مع نفسه. الناتج هو ثنائي الببتيد — سلسلة قصيرة من حلقتين، تشبه بالفعل البروتين.

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.

يشبه القرص المجري تموجات متجمدة على سطح الماء: كل اضطراب يترك أثرًا يمكن قراءته بعد مليارات السنين. عندما تمر مجرة قزمة تابعة أو يحدث اندماج مباشر، تبدأ النجوم في القرص بالتأرجح — مثل عوامات حركتها موجة. وبمرور الوقت تخمد هذه التذبذبات، لكن مدى الحركات العمودية للنجوم من مختلف الأعمار يظل مختلفًا.

عمر النجم هو مفتاح تاريخ المجرة. لكن انتزاع هذا المفتاح من الطبيعة ليس سهلاً: فبعكس الشجرة، لا يُكوّن النجم حلقات سنوية. غير أن غلافه الجوي يحمل شفرة كيميائية - نسب العناصر التي تغيرت ببطء مع موت أجيال من النجوم وولادة أخرى. ويعتبر زوج الإيتريوم والمغنيسيوم من أكثر الأزواج إفادة - عنصران بمصيرين مختلفين تماماً.

إرفين شرودنغر تأمل كيف تحافظ الحياة على النظام رغم القانون الثاني للديناميكا الحرارية. لم يخطر بباله أن جزءًا من الإجابة يكمن في عدم استقرار النجوم العملاقة. أثبتت تجارب شين-شيونغ وو أن التفاعل الضعيف ينتهك التناظر المرآوي.

لطالما كانت المطيافية وسيلة لسماع ما لا يُسمع. في القرن التاسع عشر، فك يوهان بالمر شيفرة خطوط الهيدروجين المتناغمة - تناغم عددي بسيط مهّد لنظرية الكم.

في عام 2019، دخل إلى النظام الشمسي ضيف غير عادي — المذنب 3I/ATLAS. لقد جاء من نجم آخر، وتمكن علماء الفلك لأول مرة من رؤية ما يتكون منه ذيله الغباري. التقط جهاز التحليل الطيفي MIRI على تلسكوب جيمس ويب ذروة إشعاع مميزة عند طول موجة 10 ميكرون.

في قلب درب التبانة، داخل السحابة G+0.693، التقط علماء الفلك إشارة حلوة — خطوط انبعاث من الإريثروز، وهو سكر بسيط يحتوي على أربع ذرات من الكربون وأربع ذرات من الأكسجين. لاستماع هذا الهمس الجزيئي، حدقت تقنية المطيافية الراديوية فائقة الحساسية عبر مقرابي Yebes و IRAM في أبرد أتون للمجرة لساعات، وهي تجمع الفوتونات.

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.

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.

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.

سحابة غازية بحجم مجرة صغيرة تسقط نحو درب التبانة بسرعة تبلغ مئات الكيلومترات في الثانية. تُعرف هذه السحب باسم السحب عالية السرعة، ولم يكن يُعثر فيها حتى الآن على نجوم، بل غاز فقط. الآن، في إحداها التي تحمل اسم Complex H، رصد علماء الفلك زوجًا من التجمعات النجمية الفتية. عمر التجمعين 11,2 مليون سنة — وهو عمر طفولي بمقاييس النجوم.

المطبخ الذي يُخبز فيه النجوم يعمل بوصفة بسيطة: بقدر ما لديك من الدقيق، يكون عدد الفطائر. لفترة طويلة، رأى علماء الفلك علاقة صارمة بين كتلة المجرة وسرعة ولادة النجوم فيها، واعتبروها قاعدة مستقلة بذاتها. لكن دراسة جديدة شملت 24,954 مجرة قريبة تُظهر أن هذه العلاقة ليست سوى ظل لقانونين أكثر أساسية. القانون الأول يربط كمية الغاز الجزيئي (المادة الخام الرئيسية للنجوم) بكتلة النجوم الموجودة بالفعل.

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.

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 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.

في السحب المظلمة الباردة حيث تولد النجوم، تُغطى حبيبات الغبار بقشرة جليدية. وعلى هذه القشرة، كما لو كانت طريقًا شتويًا، تتجول ببطء ذرات منفردة. وتظهر الحسابات أن هذه الذرات المتجولة من الأكسجين والنيتروجين هي التي تبدأ تجميع جزيئة HNSO، وهو مركب من الهيدروجين والنيتروجين والكبريت والأكسجين. أولاً، تصطدم ذرة أكسجين أو نيتروجين بشظية جزيء، وهي الجذر NS أو SO.

تمكن علماء الفلك، باستخدام تلسكوب جيمس ويب الفضائي وأسلوب التحليل الطيفي — وهو تحليل الضوء إلى ألوانه الطيفية، مما يتيح تحديد التركيب الكيميائي من خلال خطوط الامتصاص والانبعاث — من النظر عبر حجاب كثيف من الغبار إلى المنطقة المركزية من المجرة IRAS 07251-0248.

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.

حبة غبار كونية مغطاة بالجليد، وعلى هذا الجليد، كما في مطبخ صغير، تُحضَّر الجزيئات. أحدها هو الميثانول، وهو كحول يُستخدم في الفضاء كمادة خام لمركبات أكثر تعقيدًا. كان يُعتقد سابقًا أن الميثانول يتشكل فقط عندما تلتصق ذرات الهيدروجين واحدة تلو الأخرى بجزيء أول أكسيد الكربون.