تكوين جزيئي على حبيبات الجليد

أوركسترا متجمدة، حيث يتبادل العازفون أماكنهم عندما يضع قائد الأوركسترا المغناطيسي مقطوعة جديدة. في بلورة الإسبينيل، تجلس ذرات الحديد والمغنيسيوم في نوعين من المقاعد: بعضها محاط بأربعة جيران، والبعض الآخر بستة. في درجة حرارة الغرفة، تتحرك قليلًا فقط، لكن بمجرد تبريد المادة إلى 5 كلفن، تبدأ هجرة جماعية. الحركة الحرارية تكاد تنعدم، ومع ذلك يتغير النظام جذريًا.

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.

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 الماء المبرد إلى -40 درجة مئوية، تحدث وقفة متناقضة: لا يتسرع الجليد السداسي المثالي في التشكل. بدلاً من ذلك، تتكون بنية غير منتظمة تتخللها طبقات مكعّبة — مهد حقيقي للتماثل المستقبلي، مليء بـ الفوضى، لكنه مشحون بالفعل بهندسة خفية.

تظل المادة المظلمة أحد أعظم ألغاز الفيزياء الحديثة. لقد أثبتت فيرا روبين، من خلال مراقبة دوران المجرات، أن المادة المرئية غير كافية للحفاظ على النجوم من التشتت. من بين المرشحين لدور الكتلة غير المرئية، يتميز الأكسيون بأناقته: بحل مشكلة CP القوية في النموذج القياسي، فإنه يملأ الكون بشكل طبيعي بالمادة الباردة.

بذور الحياة الصغيرة قادرة على عبور الفراغ الأسود على متجولين جليديين مثل المذنب 3I/ATLAS. تلسكوب جيمس ويب وجد عليها لأول مرة ماءً وميثاناً، وكشف تحليل الضوء عن تركيب غير عادي للغازات. يمكن للميكروبات في أعماق الجليد أن تبقى حية لملايين السنين — مثل البكتيريا في التربة الصقيعية.

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.

باستخدام تلسكوب جيمس ويب، ألقى علماء الفلك نظرة على نجم زائف قديم — القلب المتوهج لـمجرة، حيث يمتص ثقب أسود عملاق المادة. اتضح أنه لا يدمر فحسب، بل يخلق أيضًا: فتدفقاته القوية وموجاته الصدمية تعمل كطاحونة كونية حقيقية. تطحن جسيمات الغبار الكوني إلى مسحوق ناعم جدًا — تمامًا كالرمال العادية، لكنها مطحونة إلى أحجام ميكروسكوبية.

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.

في سحابة باردة من الغاز والغبار، يسميها علماء الفلك TMC-1، عُثر مؤخرًا على مادتين تحتويان على الكبريت: إحداهما رائحتها مثل اللوز المر، والأخرى مثل البيض الفاسد. لكن كمية الكبريت في مثل هذه السحابة أقل مما ينبغي. أين يختفي؟ يبدو أنه يختبئ في جيوب جليدية صغيرة على سطح حبيبات الغبار. الجليد في الفضاء ليس مثل حلبة التزلج. إنه هش مثل الثلج، ومليء بالشقوق والمنخفضات.

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.

تخيّل أنك تريد فحص ندفة ثلج دون أن تذوب أو تتضرر. هذا تقريبًا التحدي الذي يواجه العلماء الذين يريدون دراسة البروتينات المنفردة — تلك الآلات الجزيئية الدقيقة للحياة. البروتين في محلول يهتز باستمرار ويلتصق بجيرانه، وفي المجهر الإلكتروني يدمره الشعاع.

الخميرة محبوسة في هلام شفاف، مثل الزبيب في المهلبية. هي لا تتحرك من تلقاء نفسها، لكنها سرعان ما تبدأ في الارتفاع إلى الأعلى. السر يكمن في «المشروب الغازي» الذي تصنعه بنفسها. أثناء التخمر، تطلق الخميرة ثاني أكسيد الكربون. في الوسط الكثيف، لا يتطاير الغاز بل يتراكم حتى تتشكل فقاعات.

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.

قطرة ماء تحتوي على جسيمات صغيرة تجف على الطاولة. يتبخر الماء وتبقى الجسيمات وتترتب في نمط — مثل الرمل بعد انحسار المد. لكن إذا كانت الجسيمات لينة، فإن النمط يختلف تمامًا. درس الباحثون هذه العملية تحت المجهر، مع تغيير خاصية واحدة فقط للجسيمات: مرونتها. الجسيمات الصلبة، مثل كرات البلياردو، تتنافر مع بعضها وتتجمع في شبكة منتظمة — بلورة.

في بلورة المعدن، تصطف الذرات في صفوف منتظمة، مثل الطوب في الجدار. لكن إذا نُزع طوبة واحدة، تبقى فراغ — يُسمى فراغًا (vacancy). تحت التشعيع، يزداد عدد هذه الفراغات، فتبدأ بالاندماج في ثقوب كبيرة، ويفقد المعدن صلابته. هذا يشبه أن تندمج الثقوب في جدار من الطوب لتُحدث فجوة نافذة. أخذ العلماء التنجستن — وهو معدن شديد الانصهار يُستخدم في المفاعلات النووية — وأضافوا إليه عدة عناصر أخرى.

الجزيئات فائقة البرودة مادة واعدة للحوسبة الكمومية، لكن جمعها في مصفوفة مرتبة مثل البيض في العلبة ليس بالأمر السهل. تم اقتراح طريقة لتحميل جزيء واحد في الملاقط الضوئية أو الشبكات مباشرة من الغاز. الجزيئات في هذه الحالة تكون فورًا في حالة الحركة الأكثر هدوءًا. السر يكمن في التنافر القوي بين الجزيئات المحمية بالموجات الدقيقة.

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 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 كأس من الماء تُذاب عدة أملاح وفورمالديهايد. بعد فترة، تنفصل السوائل ذاتيًا: تظهر فيها قطرات ذات غشاء تشبه فقاعات صغيرة جدًا. داخل كل قطرة تجري تحولات كيميائية، والقطرة نفسها تنمو بامتصاص المادة من المحلول المحيط بها. هذه القطرات ليست مجرد فقاعات. داخلها تتكوّن قطرات جديدة أصغر، قادرة أيضًا على النمو. هكذا تعطي القطرة الواحدة بداية لجيل تالٍ.

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 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.

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.

الطريقة المعتادة لتجميد خلية حية تشبه محاولة ارتداء بدلة فضاء: يجب أولًا إدخال مادة واقية إلى الداخل، ولكن بينما تخترق الغشاء، قد تنفجر الخلية بسبب اختلاف الأملاح أو تتسمم بالمواد الكيميائية.