غبار بين نجمي

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.

كل صباح، يكنس عامل النظافة أوراق الشجر في كومة واحدة. الشمس، أثناء عبورها المجرة، تفعل شيئًا مشابهًا: جاذبيتها تجمع الغاز بين النجمي المتناثر في مخروط غير مرئي — قمع جاذبية عملاق يركّز المادة.

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 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.

يشبه الغلاف الجوي للمشتري كعكة متعددة الطبقات، حيث لكل طبقة دورها. جمع العلماء بيانات من أربعة أجهزة في آن واحد — VLT/MUSE وCassini/VIMS وIRTF/SpeX وJuno/JIRAM — وبنوا نموذجًا للسحب والأمونيا الأمونيا في المنطقة الاستوائية للكوكب، يغطي نطاق ضغوط من 0.1 إلى 10 بار (للمقارنة، الضغط في قاع خندق ماريانا حوالي 1000 بار، لذا فإن 10 بار تعادل عمق مئات الأمتار تحت محيطات الأرض).

مئة وأربعون فرسخًا فلكيًا — مسافة يقطعها الضوء في أربعة قرون ونصف — تفصلنا عن سحابة الثور الجزيئية. في أعماقها تختبئ تكثفات مظلمة: نوى ما قبل نجمية، حيث يتقلص الغاز والغبار الكوني ببطء تحت ثقلهما. كل ذرة غبار هنا هي نواة تكثف مجهرية، ترتدي عباءة من جليد الماء. هذا الجليد هو الخزان الرئيسي للأكسجين ومواد البناء المستقبلية للكواكب.

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.

عندما يصطدم نجمان نيوترونيان — النوى فائقة الكثافة لنجوم ميتة — يولد كيلونوفا: انفجار أكثر سطوعًا بألف مرة من المستعر العادي. إنه مسبك كوني حقيقي. داخل سحابة ملتهبة تندفع بسرعات تقارب سرعة الضوء، يقوم سيل هائل من النيوترونات بتحويل أنوية الذرات إلى ذهب وبلاتين وأوزميوم. لكن المرحلة المتأخرة من هذه الأحداث ظلت لغزًا طويلًا.

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.

القمر هو أرشيف طبيعي، يجمع الغبار الكوني طوال مليارات السنين. بين الحبيبات المجهرية القادمة من نجوم بعيدة، قد تختبئ حبيبات تقنية، وهي جسيمات صنعتها حضارات فضائية. هذه الرسائل الدقيقة قادرة فعلاً على الوصول إلى قمرنا: جسيمات من مواد متينة، غنية بالكربون أو المعادن، تسافر لمدة تصل إلى مليار سنة.

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 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.

بين الكتل الجليدية التي تندفع في الفضاء الفارغ، هناك مسافرون مميزون — المذنبات البينجمية. وُلدت هذه المذنبات حول نجوم بعيدة، ثم وجدت طريقها بالصدفة إلى منطقتنا. أحدها، 3I/ATLAS، وقع في مرمى التلسكوبات عندما اقترب من الشمس. بدأت مواده — الغازات المتجمدة والغبار الحراري — تتسامى، تاركةً خلفها ذيلًا مضيئًا.

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.

عندما كوكب خارجي — كوكب خارج النظام الشمسي — يحجب قرص نجمه للحظات، يخترق ضوء النجم غلافه الجوي ويمتص "نكهته" الكيميائية. هذه التقنية — طريقة العبور: رصد الانخفاضات الطفيفة في سطوع النجم عند مرور الكوكب أمام قرصه — هي أساس عمل مرصد جيمس ويب الفضائي.

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.

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 السحابة المظلمة L43، حيث تولد النجوم، تدور حبيبات الغبار مثل بوصلات صغيرة. ضوء النجم الشاب يدفعها، بينما المجال المغناطيسي يصطفها في اتجاه معين. عندما تكون الحبيبة موجهة نحونا بجانبها، يصلنا دفؤها مستقطبًا — مثل الضوء الذي يمر عبر شق ضيق. من خلال هذا الاستقطاب، يقرأ علماء الفلك خريطة الخطوط المغناطيسية.

داخل السحب الباردة من الغاز والغبار حيث تتوهج نجوم جديدة، رصد علماء الفلك بنى رفيعة بشكل غير متوقع. تلسكوب ALMA، الذي يعمل في نطاق المليمتر، أتاح رؤية أكثر من 323 خيطًا فائق الرقة من الغبار داخل 121 كتلة ضخمة. هذه الكتل موزعة في جميع أنحاء مجرتنا — من المركز إلى الأطراف، على مسافات تتراوح بين 0.5 و12.7 كيلوبارسيك من مركز درب التبانة.

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 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.

مرجل يغلي: البخار يتصاعد، والماء يغلي، وتختلف درجة الحرارة من نقطة إلى أخرى. هكذا في الفضاء أيضًا: سحب الغاز حول النجوم الشابة ليست كرات ملساء، بل خليط متلاطم مع دوامات وتفاوت في الكثافة. ظل علماء الفلك يعتبرون هذه السحب متجانسة لفترة طويلة، لكن هذا التبسيط قد يشوّه الاستنتاجات. بنى العلماء نموذجًا حاسوبيًا لسحابة حول نجم حار منفرد — مع الاضطراب وبدونه.

تُظهر صور سديم الثريا التي التقطها تلسكوب جيمس ويب مشهدًا مذهلًا: سحب الغبار بين النجمي تتوهج بشكل غير منتظم، وكأن شخصًا ما مدّها في اتجاه واحد. حلل العلماء هذه الصور واكتشفوا أن توهج الغبار ممتد على طول خطوط المجال المغناطيسي الذي يخترق السديم. الأمر كما لو أن خيوطًا غير مرئية توجّه حركة الغاز والغبار.

في مجرتي الهوائيات، اللتين تصطدمان ببعضهما، اصطدمت سحب غازية عملاقة بسرعة 50 كيلومترًا في الثانية. الأمر أشبه بقطارين يتجهان نحو بعضهما — الضربة ضغطت الغاز فاشتعل بنجوم جديدة. وجّه العلماء التلسكوب الراديوي ALMA إلى موقع الاصطدام، فرصدوا سحابتين كانتا قبل قليل جسمًا واحدًا. امتدت إحداهما في خيط طويل منحنٍ كشريط في مهب الريح، بينما تجمعت الأخرى في عقدة تنبثق منها ألياف.

اصطدمت مجرتان، ومن مركزهما ينطلق نافورة غير مرئية. تلسكوبا ALMA وVLT اخترقا قلب نظام IRAS20100-4156 — حيث يندمج جزيران نجميان. هناك يغلي العمل: تولد مئات الشموس الجديدة، ومن حرارتها ينفجر تدفق من الغاز البارد إلى الخارج. هذا التدفق — كزفير عملاق. يحمل معه نحو نصف الغاز الجزيئي كله — تلك المادة الخام التي كان يمكن أن تتشكل منها نجوم جديدة. سرعة الرياح 170 كيلومترًا في الثانية. وفي كل عام يقذف كتلة تعادل 700 شمس.

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.

الغبار الكوني ليس أوساخًا، بل حبيبات دقيقة للغاية تشبه السخام الناتج عن النار، لكنها متناثرة بين النجوم. بعضها يدور بسرعة هائلة، ملايين المرات في الثانية، ويصدر أثناء ذلك موجات راديوية ضعيفة. يطلق علماء الفلك على هذا اسم "الانبعاث الميكروي الشاذ" (anomalous microwave emission) — فهو يعيق دراسة الكون المبكر، لكنه في حد ذاته لغز محيّر.

في السحب المظلمة والباردة في الفضاء، حيث تولد النجوم، تُغطى حبيبات الغبار بطبقة رقيقة من الجليد. هذا الجليد ليس مجرد ماء متجمد، بل خليط من جزيئات مختلفة: أول أكسيد الكربون، وثاني أكسيد الكربون، والنيتروجين، وغيرها. لفترة طويلة، لم يتمكن علماء الفلك من العثور على أكسيد النيتروز (N2O) في هذا الجليد — وهو "غاز الضحك" الذي يُستخدم في الطب.