تحليل الغبار الكوني

التلسكوب، بمنهجية، ليلة بعد ليلة، موجه نحو نجم بعيد. في تدفق ضوئه يختبئ انخفاض بالكاد ملحوظ في السطوع — كوكب صغير بحجم الأرض يحجب جزءًا من القرص النجمي لبضع ساعات. هذا الحدث، الذي يسمى العبور (transit)، يستمر بضع ساعات فقط، ويتكرر مرة في السنة أو أقل. التقاطه يشبه سماع نقرة خافتة واحدة في قاعة صاخبة.

في المطبخ المظلم للسحابة الجزيئية في الثور، على بعد 450 سنة ضوئية منا، تُحضَّر عشرات الأنظمة الكوكبية. كل نجم فتِي هو طاهٍ، وقرصه الكوكبي الأولي هو طاولة مكدسة بالدقيق-الغبار والبخار-الغاز. حتى الآن، رأى علماء الفلك فقط "الأطباق" الجاهزة — الكواكب المكتملة. الآن، ولأول مرة، تمكنوا من النظر إلى المخزن نفسه.

في مارس 2023، وجّه التلسكوب الفضائي جيمس ويب أدواته نحو المذنب قصير الدورة 81P/وايلد 2. هذا الجرم السماوي، الذي يعادل حجمه حجم مدينة صغيرة (نصف قطر نواته حوالي 1.77 كم)، معروف جيدًا لدى العلماء: ففي عام 2006، اخترق مسبار ستارداست ذيله وجمع عينات من الغبار، دُرسَت لاحقًا في مختبرات الأرض.

سرعة 7,5 كيلومتر في الثانية هي الحد الفاصل الذي بعده يحول التصادم الكوني حبيبات الغبار إلى مفاعل كيميائي. في الوسط بين النجمي (interstellar medium) تتطاير حبيبات غبار غبار كوني (cosmic dust) صغيرة – إرث النجوم المحتضرة.

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.

ضوء مجرة بعيدة يصل إلينا عابرًا الكون كله، مارًا بتجمعات هائلة من المادة المظلمة والمادة العادية. جاذبيتها تحني مسار الأشعة قليلًا — كما لو أن تيار النهر يلتف حول صخور غير مرئية. في الصور، يظهر هذا كاستطالة طفيفة في صور المجرات، وكأنها مُمددة على إطار غير مرئي. يسمي علماء الفلك هذا العدسة الجاذبية الضعيفة (انحناء الضوء بفعل الجاذبية) ويستخدمونه لوزن الكون.

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.

يُخطط لإرسال مسبار بحثي إلى أقرب ثقب أسود — منطقة في الزمكان ذات جاذبية لا تطلق حتى الضوء. مئة عام من الطيران، ثم يدخل المسبار في مدار حول الجسم الغامض ليجيب على السؤال الجوهري: ما الذي أمامنا — ثقب أسود أم نجم نيوتروني — بقايا نجم ضخم فائقة الكثافة، مضغوطة حتى كثافات نووية؟ الثقب الأسود لا سطح له — مجرد هاوية جاذبية لا قاع لها، بينما للنجم النيوتروني قشرة صلبة من مادة…

سبع صور للسماء بعد ثوران بركان بيناتوبو. في كل صورة، خريطة لتركيزات عشرات المواد. السؤال بسيط: أي مادة تتحول إلى أي مادة؟ لكن كيف نستنتج سلسلة الأسباب من سبع لقطات، إذا كان عدد المتغيرات أكبر من عدد اللحظات الزمنية؟ تنظر M-CaStLe إلى الخريطة بطريقة مختلفة. لكل خلية في الشبكة، تُجمع نافذة من تسع جارات: الخلية المركزية وثماني خلايا حولها. هذه النوافذ على الخريطة بالآلاف، وتُعتبر جميعها تكرارات لنفس الآلية المحلية.

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.

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.

في الهواء المضطرب، لا تطير القطرات في خط مستقيم، بل تقذفها التيارات من جانب إلى آخر، مثل ذرات الغبار في شعاع الضوء. بنى الفيزيائيون منظومة تتعقب كل قطرة بحجم عُشر سُمك الشعرة. كاميرا تصور حركتها، ويقوم الحاسوب بإعادة بناء المسارات. العائق الرئيسي هو الآثار الكاذبة، عندما تلتقط الكاميرا وميضًا أو انعكاسًا على أنه قطرة. ابتكر المؤلفون مرشحًا يستبعد هذه القطع الأثرية بناءً على زوايا الحركة.

مجرة بعيدة تولد فيها مئات النجوم يجب أن تتوهج بالأكسجين. هكذا اعتقد علماء الفلك: النجوم الشابة الساخنة تسخّن الغاز، فيصدر توهجًا مميزًا في الأشعة تحت الحمراء بطول موجة 63 ميكرون. هذا مثل البخار فوق قدر يغلي — علامة أكيدة على عملية عنيفة. لكن عندما وجّه تلسكوب ALMA هوائياته نحو اثنتي عشرة مجرة تبعد عنا 12–13 مليار سنة ضوئية، كانت الصورة معكوسة.

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 مجرة أندروميدا، الجارة الكبرى الأقرب لمجرتنا درب التبانة، رصد علماء الفلك غيومًا باردة عملاقة تولد فيها النجوم. تتكون هذه الغيوم من الغاز والغبار، لكن رؤيتها مباشرة ليست سهلة: فهي بالكاد تضيء. استخدم العلماء التلسكوب الراديوي SMA في هاواي، الذي يلتقط الإشعاع الحراري الضعيف لحبيبات الغبار وموجات الراديو من أول أكسيد الكربون.

سماء الليل لا تتوهج بالنجوم فقط. بينها ينتشر توهج ميكروي خافت، لاحظه علماء الفلك منذ ثلاثة عقود لكنهم لم يستطيعوا تفسيره. إحدى الأفكار: أن الهيدروكربونات العطرية متعددة الحلقات هي المسؤولة — وهي جزيئات تشبه رقائق السناج الصغيرة، تدور في الفضاء وتصدر موجات راديوية مثل هوائيات صغيرة.

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.

فصل إشارة الغلاف الجوي لكوكب بعيد يشبه محاولة سماع همس في قاعة صاخبة: يعيق ذلك «صوت» النجم نفسه. في نظام TRAPPIST-1، طبق علماء الفلك أسلوبًا بارعًا — استخدام كوكب «حشرة تنصت». كان هذا الكوكب هو TRAPPIST-1 b — جار بلا غلاف جوي، خالٍ من أي غلاف غازي. يسجل هذا الكوكب فقط التشويش الناتج عن نشاط النجم، ولا شيء غيره.