أول أكسيد الكربون

على بعد 40 سنة ضوئية منا، يعيش نجم لم يُلاحظ لفترة طويلة: يبعث TRAPPIST-1 في الفضاء ضوءًا أقل بألفي مرة من ضوء الشمس. لكنه يمتلك سبعة كواكب بحجم الأرض، وثلاثة منها تدور في المنطقة التي يمكن أن يظل فيها الماء سائلًا. لكن عن النجم نفسه، وعن تركيبته الكيميائية، لم نكن نعرف سوى القليل.

في أعماق الكوكب دون نبتوني ، حيث يصل الضغط إلى مئة ألف بار والحرارة إلى أربعة آلاف درجة، تتصرف الصخور كحساء يغلي. تتصاعد أبخرة السيليكون والمغنيسيوم الثقيلة إلى الأعلى، ثم تبرد وتتساقط مجددًا كمطر من جسيمات صلبة. هذه الدورة ليست مجرد تفصيل، بل هي قائد الأوركسترا الذي يوجه الأوركسترا الكيميائية بأكملها للغلاف الجوي.

البلازما بالموجات الدقيقة في تدفق دوامي هي بمثابة خلاط عالي الحرارة: يدور الغاز في المفاعل، وتقوم الموجات الدقيقة بتسخينه إلى آلاف الدرجات، مما يؤدي إلى تفكيك جزيئات ثاني أكسيد الكربون (CO₂) إلى مكوناتها. بنى العلماء نموذجًا حاسوبيًا لهذا المفاعل لفهم كيفية تأثير الضغط على عملية التفكيك.

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.

انفجار النجم الضخم، المستعر الأعظم، ليس مجرد وميض ساطع، بل هو ضربة قوية للغاز المحيط، يمكن أن تطلق موجات من تشكل النجوم. ومع ذلك، لم يدرس أحد حتى الآن كيف يتحرك الغاز نفسه في مواقع هذه الانفجارات. الآن، جمع علماء الفلك بيانات عن 33 مستعرًا أعظم قريبًا مستعرًا أعظم وقاسوا لأول مرة اضطراب الغاز الجزيئي البارد حولها.

عندما يحلل تلسكوب JWST ضوء كوكب خارجي بعيد إلى طيف، فهو يقرأ سجلاً كيميائيًا. لكن هذا السجل ليس حقيقة متجانسة، بل هو غلاف جوي تعيد كتابته باستمرار إشعاعات النجم. مهمة الفلكيين هي استعادة الرسالة الجيولوجية الأصلية، والمفتاح لفك الشيفرة هو مركبات الكبريت.

لغز وادي الأقطار — الانخفاض الحاد في عدد الكواكب الخارجية التي يبلغ نصف قطرها نحو 1,8 من نصف قطر الأرض — يُؤرِّق علماء الفلك. ترسم أرصاد العبور من كيبلر وTESS، وجيمس ويب، فجوة واضحة: الكواكب الأرضية الهائلة الصخرية والكواكب النبتونية الصغيرة الغازية تفصل بينها هوة تقريبًا.

منذ أن حلق المسبار 'فوياجر-2' عند أورانوس عام 1986، احتفظت أقمار الكوكب الجليدية بلغز: من أين يأتي ثاني أكسيد الكربون على أسطحها؟ لم تكن أجهزة القياس الطيفي آنذاك تزيد على مجرد تلميحات بوجود CO₂، دون أن تقول شيئًا عن منشئه. الآن، يحول تلسكوب جيمس ويب برؤيته تحت الحمراء تلك التلميحات الغامضة إلى خريطة كيميائية مفصلة.

النجوم الضخمة هي عمالقة كونية، تعيش حياتها تحت لواء طاقة لا تُقهر. عندما يدخل مثل هذا النجم مرحلة نجم B[e] فائق العملقة، يصبح إشعاعه قويًا لدرجة أنه يبدو قادرًا على تفكيك أي جزيء إلى ذرات. الخطوط الطيفية، التي نظمها ذات يوم يوهان بالمر، تتوهج هنا بشراسة خاصة. لكن الطبيعة، مثل نحات متقلب المزاج، تمسك بيدها ليس مطرقة بل منحتًا فوق بنفسجي — وبدلاً من الفوضى تخلق أشكالاً رشيقة.

الكوكب WASP-121 b ليس مجرد كرة حارة. إنه عالم تتبخر فيه الحديد وتتوهج سماؤه بحرارته الذاتية. نظرة جديدة إليه ساعدتنا على فهم "المكونات" التي تشكل منها.

الكوكب الصخري الملتهب يشبه قدرًا من الحساء المغلي، لكن غطاءه هو الغلاف الجوي. تنطلق الغازات من الصهارة، وتلف العالم ببطانية كثيفة، وتؤثر بدورها على سرعة تبريد الجرم السماوي. بالنسبة للكوكب GJ 1132 b، الذي يقع قريبًا جدًا من نجمه لدرجة أن السنة فيه تستغرق يومًا ونصفًا أرضيًا فقط، هذه العلاقة مهمة بشكل خاص. دون مراعاة تبادل الغازات، لا يمكن فهم ما إذا كان سيتصلب خلال مليار سنة أم سيبقى كرة نارية.

الكون في عمر 700 مليون سنة هو موقع بناء صاخب، حيث تبدأ الأضواء الأولى في الاشتعال. التقطت التلسكوبات إشارة من تلك الحقبة البعيدة: المجرة REBELS-25، الضخمة والمليئة بوقود النجوم. كشفت الملاحظات الراديوية بتلسكوبي VLA وALMA عن توهج خافت لكن مؤكد لجزيئات أول أكسيد الكربون (CO). هذا هو المؤشر الأكثر موثوقية للهيدروجين الجزيئي البارد — المادة التي تولد منها النجوم.

في العلية، عُثر على حقيبة قديمة مهترئة. من الملصقات والخدوش يمكن تخمين الأماكن التي زارتها. لطالما بحث الفلكيون عن "ملصق" مماثل للكواكب، وظنوا أنهم وجدوه في جزيئات أول أكسيد الكربون. يتكون أول أكسيد الكربون العادي من ذرة كربون-12 وأكسجين. لكن في بعض الأحيان توجد نسخة نادرة، تحتوي على كربون-13، الذي يحتوي على نيوترون إضافي في نواته.

خرطوم إطفاء يصيب كومة ثلج. الماء لا يزيح الثلج فحسب، بل عند نقطة الاصطدام تتطاير رذاذ وبخار ويحدث دوي. هذا تقريبًا ما تفعله النفاثات — تيارات ضيقة من المادة تنطلق من محيط الثقب الأسود بسرعة هائلة. عندما يصطدم مثل هذا التيار بسحابة من الغاز بين النجمي، فإنه لا يخترقها، بل يولّد موجة صدمة تضغط الغاز وتجعله يتوهج.

في أوركسترا البحث بين النجوم عن الحياة، كل نغمة لها أهميتها. والنوتة الموسيقية هنا لا يمليها إنسان، بل نجم بعيد. بالنسبة للكوكب TRAPPIST-1 e، أحد الكواكب السبعة في نظام القزم الأحمر شديد البرودة، تلعب الأشعة فوق البنفسجية القاسية دور عصا القائد. وبإمكان هذه العصا أن تمزح مزحة خبيثة: أن تدفع لعلماء الفلك لحن الحياة في مكان يسوده الصمت الكوني.

المشتري الفائق الشاب TWA5B — كرة ملتهبة كتلتها 25 كتلة مشترية — تطفو على بعد حوالي خمسين سنة ضوئية منا. توهجه تحت الأحمر الخافت أخفى طويلاً تركيبته الكيميائية. الآن، سجل التحليل الطيفي عالي الاستبانة التحليل الطيفي باستخدام CRIRES+ الأثر الشبح لـ SiO — أول أكسيد السيليكون.

روضة أطفال، بعض الصغار فيها يشكلون قلاعًا من الرمل، بينما يلعب آخرون بالمكعبات. هكذا تقريبًا يبدو نظام النجم V1298 Tau: عمره 20 مليون سنة فقط — وبالمقاييس الكونية، خرج لتوه من الحضانة. حوله تدور عدة كواكب، واثنان منها، b وe، اتضح أنهما مختلفان بشكل مذهل. تلسكوب جيمس ويب نظر إلى أغلفتهما، وما رآه لا يشبه إخوة، بل جارين في صندوق الرمل بألعاب مختلفة تمامًا.

باستخدام تلسكوب جيمس ويب الفضائي، أجرى علماء الفلك تحليلًا كيميائيًا للقنطور تشيرون — وهو جرم جليدي من أطراف النظام الشمسي. اتضح أن نشاطه الغازي يشبه معجنات متعددة الطبقات. يتبخر ثاني أكسيد الكربون من السطح، مكونًا قشرة علوية. وعلى عمق أعمق قليلاً، مثل الحشوة، ينبعث الميثان.

المجرة ليست صورة ثابتة، بل هي مرجل يغلي، حيث تولد نجوم جديدة باستمرار من الغاز المخلخل. لفهم كم من الوقت سيستمر هذا الغليان، يزن علماء الفلك المكوّن الرئيسي — الهيدروجين الجزيئي البارد. هو نفسه غير مرئي، لكنه يُفضح بواسطة غاز أول أكسيد الكربون (CO)، الذي يتوهج في نطاق الراديو.

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.

في بلورة من الماء وهيدروكسيد السيزيوم، تجلس ذرات الأكسجين والسيزيوم في أماكنها كخرزات في شبكة صلبة. أما ذرات الهيدروجين فسلوكها مختلف — فهي كركاب يعيدون ترتيب أنفسهم باستمرار من مكان إلى آخر. في هذه المادة الطبقية، يرتبط كل أكسجين بثلاثة جيران عبر جسور هيدروجينية، مشكلًا ما يشبه أقراص العسل.

وجّه علماء الفلك تلسكوب جيمس ويب نحو كوكب خارجي صخري هو LHS 3844 b — عالم يدور حول نجم غريب، حيث تستغرق سنته 11 ساعة فقط. الكوكب يواجه نجمه بوجه واحد دائمًا: الجانب النهاري يعاني حرارة أبدية تصل إلى 770 درجة مئوية، بينما يغرق الجانب الليلي في ظلام جليدي.

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.

كوكب عملاق معلّق في الفضاء في عزلة تامة، مبتعدًا عن نجمه بمسافة تبلغ 160 ضعف المسافة بين الشمس وبلوتو. يصل ضوء النجم الأم إليه ضعيفًا لدرجة أن درجة الحرارة على سطحه لا تتجاوز 200 درجة مئوية — تقريبًا مثل جو ساونا مُحمّاة جيدًا. هذا هو COCONUTS-2b، أحد أبرد العوالم المعروفة خارج النظام الشمسي.

عالم رفض لسنوات أن يُظهر وجهه. كوكب GJ 1214 b هو مثل هذه الحالة تمامًا. إنه أكبر من الأرض لكنه أصغر من نبتون، وغطاؤه الكثيف جعل غلافه الجوي غير مرئي للتلسكوبات: ضوء النجم كان يمر عبره دون أن يترك بصمات واضحة. لكن إصرار علماء الفلك وجهاز جديد حساس قدما أول خيط. باستخدام مطياف CRIRES⁺ على التلسكوب الكبير جدًا في تشيلي، رصد العلماء ثماني مرات عبور الكوكب أمام نجمه.

حول النجوم الفتية تدور سحب مسطحة من الغاز والغبار — مثل عجينة البيتزا التي ستتشكل منها الكواكب مع مرور الزمن. تحتوي هذه السحب على عناصر كيميائية مختلفة، والكبريت من أكثرها صعوبة: فمن الصعب رصده بالتلسكوبات لأنه يختبئ في حبيبات صلبة أو يطير بعيدًا كغاز.

الطباخ يضيف مزيدًا من السكر إلى العجين، فتختلف النتيجة. وكذلك النجم: فتركيب «عجينته» — سحابة الغاز والغبار التي تولد منها الكواكب — يحدد أي العوالم ستظهر حوله. لاحظ علماء الفلك أنه إذا كان الكربون في النجم أكثر بكثير من الأكسجين، فإن كواكبه العملاقة تدور في الغالب على مسافات كبيرة، مثل الكواكب الخارجية البطيئة كالمشتري لدينا.

ضوء نجم بعيد، أثناء مروره عبر غلاف كوكب K2-18b، ترك "بصمات" غير عادية في الطيف. جمع علماء الفلك هذا الضوء لمدة 420 ساعة باستخدام تلسكوب جيمس ويب الفضائي، وحللوه إلى ألوانه مثل قوس قزح. في الصورة الناتجة، رأوا خطوطًا لا يمكن الخلط بينها وبين أي شيء آخر: هكذا تظهر الجزيئات التي يعرفها كل من سمع عن القنب.

في الأطراف الباردة للنظام الشمسي، يُعتبر الماء مادة البناء الرئيسية للجليد. لكن في بعض المذنبات والأجسام الجليدية البعيدة، تكون نسبة أول أكسيد الكربون (CO) إلى الماء مرتفعة بشكل غير عادي — وكأن الآيس كريم فجأة يحتوي على الكثير من الشراب. من أين يأتي هذا الاختلال؟ حاول مؤلفو العمل الجديد معرفة ذلك.

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.

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.

الكوكب الفتي في القرص الغازي يشبه سباحاً يحاول السباحة عكس التيار: الاحتكاك بالغاز يبطئه، فيقترب من النجم بشكل حلزوني. بالنسبة للكواكب الصخرية الصغيرة، قد يستغرق هذا السقوط وقتاً أقل من الوقت اللازم لنموها. لكن في القرص توجد أيضاً تيارات معاكسة — دوامات يمكنها أن تدفع الكوكب إلى الخارج. بنى العلماء نموذجاً حاسوبياً لقرص حول نجم فتي.

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 المحيطات تحت جليد أوروبا وغانيميد وكاليستو، قد تختبئ الحياة. لبناتها الكربونية رُبما خُبزت حتى قبل ولادة الأقمار — في قرص من الغاز والغبار حول المشتري الفتي. هذا الفرن الكوني العملاق اشتغل بتسخين بطيء من الاحتكاك، لا بالأشعة فوق البنفسجية القاسية.

في سحابة غاز باردة ومظلمة، حيث بدأ نجم للتو في التكوّن، رصد تلسكوب ALMA حلقة غير عادية. تتكون هذه الحلقة من غاز أكثر دفئًا وكثافة من الوسط المحيط. لم يكن من الممكن رؤية مثل هذه التفاصيل من قبل، لأن الغاز في مركز السحابة غير شفاف للأرصاد العادية.

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.

تقذف الشمس من وقت لآخر سحبًا هائلة من البلازما إلى الفضاء - وهي الانبعاثات الكتلية الإكليلية. وغالبًا ما تتشابك داخل هذه السحب بارزات شمسية - وهي كتل أكثر برودة وكثافة من المادة. وهي تحتوي على الكثير من الذرات المحايدة التي تتوهج بشكل ساطع في خطوط طيفية معينة. استخدم علماء الفلك جهاز UCoMP، الذي يقيس استقطاب الضوء في خط الهيليوم تحت الأحمر عند طول موجة 1083 نانومتر.

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.

تبدو السماء ليلًا مظلمة، لكنها في الحقيقة مليئة بتوهج خافت. معظم هذا الضوء ينشأ في سحب غير مرئية من الغاز البارد — ذلك الغاز الذي تولد منه نجوم جديدة. هذا الغاز لا يشع تقريبًا، لذا يصعب رصده. لكنه أحيانًا يكشف عن نفسه عبر موجات راديوية تنبعث من جزيئات أول أكسيد الكربون (CO). لأول مرة، التقط علماء الفلك هذا التوهج الخافت من السماء بأكملها دفعة واحدة، وليس من مجرات منفردة.

حول النجوم الفتية تدور أقراص من الغاز والغبار — وكأنها مواقع بناء للكواكب المستقبلية. من هذه المادة ستتجمع لاحقًا عوالم صخرية وعمالقة غازية. لذلك فإن التركيب الكيميائي للقرص يحدد بشكل مباشر ما ستكون عليه الكواكب. نظر تلسكوب جيمس ويب إلى الأقراص حول نجوم خفيفة جدًا — تلك التي يبلغ وزنها حوالي عُشر وزن الشمس.