كربون متأين

تخيل ثلاثة شهود رأوا حدثًا واحدًا. اثنان يرويان القصة ذاتها، والثالث يرويها بشكل مختلف. من تصدق؟ هذا هو الوضع تمامًا في علم الفلك عند قياس الكربون في النجم J0815+4729، وهو أقدم جسم معروف يحتوي على أقل نسبة من الحديد على الإطلاق (الكربون هو أحد العناصر الأساسية التي يُستدل بها على النجوم الأولى).

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.

سديم الجبار هو واجهة الفيزياء الفلكية، ومختبر لدراسة تكوّن النجوم على مقربة منا. لأكثر من قرن، يُحلل ضوؤه إلى أطياف، وكل خط محظور يهمس بنسخته عن عدد الإلكترونات في السنتيمتر المكعب. لكن النسخ لا تتطابق: الكبريت يصر على رقم، والأكسجين على آخر، والنيتروجين يهمس بما لا يُصدق.

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.

في مركز كل مجرة كبيرة تقريباً، يختبئ ثقب أسود فائق الكتلة، وصف رياضياً لأول مرة هاويته الجاذبية كارل شوارتزشيلد. عندما يبتلع الغاز، يتولد نواة نشطة مبهرة – كوازار. سمته المميزة – خطوط انبعاث عريضة في الطيف.

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.

البلورة تشبه صفًا من الجنود في ساحة العرض: كل ذرة في مكانها، والإلكترونات تسير فيه بموجات منتظمة. أما المادة غير المتبلورة فهي كحشد في محطة قطار، لا نظام فيه إطلاقًا، مجرد تدافع مستمر. في مثل هذا الحشد، عادةً ما تعلق الإلكترونات بسرعة، كشخص يحاول عبور كتلة بشرية كثيفة.

مصباح خافت يبدأ فجأة في إضاءة نقوش غير مرئية على الجدار. هكذا تقريبًا ينظر علماء الفلك إلى المجرات القزمة البعيدة — جزر نجمية صغيرة فقيرة بالعناصر الثقيلة. في بعضها لاحظوا توهجًا بنفسجيًا خافتًا للهيليوم المتأين (خط طيفي خاص He II 4686 Å).

كاميرا فائقة السرعة قادرة على تصوير حركة الإلكترونات هي مقياس التداخل الأتوثاني (attosecond interferometer). يرسل نبضتي ليزر إلى المادة بفاصل زمني ضئيل. الأولى، فوق البنفسجية، مثل وميض، تنزع إلكترونًا من الجزيء. الثانية، تحت الحمراء، كيد خفية، تدفع أو تبطئ هذا الإلكترون أثناء طيرانه.

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 مجرة تسبح في سحابة غازية غير مرئية، مثل فاكهة في شراب. هذا الغاز هو بقايا مواد البناء التي تشكلت منها النجوم، ويتم تجديده باستمرار بكميات جديدة من الفضاء بين المجرات. يكاد يكون من المستحيل رؤيته مباشرة: فهو مخلخل جدًا وبارد. ولكن عندما يمر ضوء كوازار بعيد عبر مثل هذه السحابة، تمتص ذرات المعادن في الغاز جزءًا من الضوء عند أطوال موجية محددة.

في سحابة غازية باردة حيث يولد نجم، تكون الكيمياء نائمة. الجزيئات لا تتصادم تقريبًا، والتفاعلات تتجمد. ولكن إذا مر جسيم مشحون عبر السحابة، فإنه يقتلع الإلكترونات من الذرات – أي يؤينها. وهكذا تظهر في السحابة النائمة أيونات نشطة جاهزة لبناء جزيئات جديدة. وجّه علماء الفلك التلسكوبات الراديوية نحو ثلاث كتل غازية كثيفة حول نجوم حديثة الولادة في كوكبتي حامل رأس الغول والثور.

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.

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.

الحاسوب الكمومي يشبه أوركسترا، حيث كل كيوبت هو عازف يؤدي دوره. لكن بين الحين والآخر يقتحم القاعة شعاع كوني، فيجفل عازف الكمان ويخرج عن الإيقاع. هذه الجسيمات القادمة من أعماق الفضاء تخترق الرقاقة، وتطلق إلكترونات زائدة، وتفسد الموسيقى الكمومية الهشّة. لمواجهة هذه الاضطرابات، بنى الفيزيائيون منصة اختبار خاصة.

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.

قبل ظهور النجوم بزمن طويل، كان الكون مليئًا بالهيدروجين البارد. هذا الغاز يعرف كيف "يغني" — يصدر موجات راديوية بطول 21 سنتيمترًا. عندما أضاءت النجوم والمجرات الأولى، بدأ ضوءها فوق البنفسجي في نزع الإلكترونات من ذرات الهيدروجين، محولاً الغاز المتعادل إلى غاز مؤين. بدأ غناء الهيدروجين يخفت، ولكن ليس في كل مكان دفعة واحدة، بل في بقع — حيث كان الضوء أكثر.

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 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.

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.

عندما كان عمر الكون أقل من مليار سنة، كان يشبه ضبابًا كثيفًا: لم يكن الضوء فوق البنفسجي قادرًا على قطع مسافات طويلة لأن الغاز بين النجوم كان يمتصه. لكن تدريجيًا، مع ولادة النجوم والمجرات الأولى، تبدد الضباب — وتسمى هذه العملية بعصر إعادة التأين (Reionization). يريد علماء الفلك فهم كيفية حدوث ذلك بالضبط.

ثقبان أسودان يدوران في رقصة متقاربة، وحولهما يولد شيء مذهل: جزيء ثقالي. سحابة من البوزونات فائقة الخفة، وهي جسيمات كتلتها أقل من إلكترون فولت، تغلف الزوج مثل سحابة إلكترونية في أيون H2+. لكن الدور الذي تلعبه النوى هنا تلعبه الثقوب السوداء، والدور الذي يلعبه الإلكترون يلعبه حقل موزع على عشرات الكيلومترات.