سحابة جزيئية

يمتد خيط من الشبكة الكونية عبر الكون الفتي، وعلى طوله تتراص المجرات كخرز على عقد. في قلب العنقود الأولي SSA22، الذي سيصبح بعد مليارات السنين مركز عنقود مجري هائل، ما تزال هذه الخرزات ساخنة ومغبرة: تولد النجوم في داخلها، ويشكل الغاز البارد وقودها. نظر الفلكيون إلى هذه الزاوية البعيدة باستخدام تلسكوبات ALMA وJWST وJVLA لفهم كيف تنمو الخرزات ولماذا تتجمد يومًا ما.

يتلقى رسام الخرائط ورقة تحتوي على مسافات بين مئات الجزر المجهولة. لا جزيرة موسومة، لكن المسافات تتكرر وتتراكم في مثلثات ورباعيات. من هذه التكرارات، يعيد رسام الخرائط بناء خريطة الأرخبيل دون معرفة اسم أي جزيرة. هذا تقريبًا ما تقوم به دراسة جديدة في التحليل الطيفي الجزيئي. مطياف SCALS هو مرنان طوله 42 سم، يقطع فيه الضوء مسافة 28 كم، مثل مسافة ماراثون.

سحابة L1688 في كوكبة الحواء تشبه حلبة رقص حيث لا يمسك الشركاء أيدي بعضهم دائماً. ظل علماء الفلك يعتقدون لفترة طويلة أن الغاز في السحب الجزيئية يتحرك مع النجوم الفتية التي تولد فيه. لكن حتى الآن لم يتحقق أحد من ذلك مباشرة: كانوا يقيسون فقط سرعة الغاز على طول خط الرؤية، بينما ظل إزاحته العرضية عبر السماء غير مرئي. الحركة الذاتية هي الانتقال الظاهري لجسم عبر السماء.

سحابة L1688 في كوكبة الحواء تشبه حلبة رقص حيث لا يمسك الشركاء أيدي بعضهم دائماً. ظل علماء الفلك يعتقدون لفترة طويلة أن الغاز في السحب الجزيئية يتحرك مع النجوم الفتية التي تولد فيه. لكن حتى الآن لم يتحقق أحد من ذلك مباشرة: كانوا يقيسون فقط سرعة الغاز على طول خط الرؤية، بينما ظل إزاحته العرضية عبر السماء غير مرئي. الحركة الذاتية هي الانتقال الظاهري لجسم عبر السماء.

حول كل مجرة توجد هالة غير مرئية من الغاز البارد. تمتد بعيدًا إلى ما وراء حدود القرص النجمي، وتعمل في الوقت نفسه كمستودع للوقود لنجوم جديدة ومقبرة للمادة المطرودة.

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.

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.

على بُعد 1900 فرسخ فلكي منا، في كوكبة الثعلب، ينبض النجم V420 Vul — وهو متغير من نوع ميرا (Mira). هذه النجوم، في نهاية عمرها، تنتفخ وتطرح طبقاتها الخارجية. لكن حول V420 Vul، رأى علماء الفلك ليس مجرد غلاف مطروح، بل شيئًا أكثر دهاءً.

رصد التلسكوب الراديوي FAST بطبق قطره خمسمائة متر إشارة عند طول موجة 21 سنتيمترًا — وهو خط طيفي لانبعاث الهيدروجين الذري البارد والمتعادل. صدرت الإشارة من سحابة أُطلق عليها اسم Cloud-9. تقع هذه السحابة بالقرب من المجرة M94، لكنها لا تحتوي على أي نجم.

تخيّل قدرًا من العصيدة المغلية: فقاعات تنفجر، وبخار يتصاعد، ويختلط كل شيء. هذا ما تفعله النجوم الضخمة تقريبًا داخل سحب الغاز العملاقة. إشعاعها ورياحها النجمية — تيارات من الجسيمات المشحونة — تنفخ تجاويف هائلة تُعرف بالفقاعات الجزيئية، متناثرةً المادة في كل مكان. تُسمى هذه العملية بالتغذية الراجعة النجمية، وهي آلية رئيسية في تطور المجرات.

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.

يدور قرص من الغاز والغبار حول النجمة الفتية HV Tau C بشكل شبه جانبي بالنسبة لنا. تلسكوب جيمس ويب نظر في طيفه ولاحظ توهج الهيدروجين الجزيئي الساخن الهيدروجين (H₂) — وهي جسيمات تتكون من ذرتي هيدروجين. كشف هذا التوهج عن رياح عريضة ثنائية الاتجاه تنطلق من المناطق الداخلية بعيدًا إلى ما وراء حدود القرص.

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).

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.

الكون يشبه نسيجاً حريرياً تبرز منه خيوط الشبكة المظلمة. فنحن نرى اللوحات الحقيقية فقط على شكل قصاصات صغيرة – عبر التلسكوبات، وفي كتالوجات حقيقية لـالمجرات. ولفصل الإشارة الأساسية عن التداخلات الفيزيائية الفلكية في النمط الكوني، يتطلب التحليل الإحصائي آلاف المخططات المعقولة – خرائط اصطناعية للسماء.

في هدوء السحب الجزيئية الباردة، حيث الغاز بين النجمي ينضغط بفعل الجاذبية إلى تكتلات كثيفة، تُعد ولادة النجوم الضخمة واحدة من أكبر ألغاز الفيزياء الفلكية. قد يبدو أن الإشعاع القوي للعملاق حديث الولادة من شأنه أن يبدد المادة المحيطة، موقفًا نموه.

في مركز العديد من المجرات يختبئ سحاب غير مرئي — هالة من المادة المظلمة. إذا كانت هذه المادة باردة وخفيفة بما يكفي، فإنها تتصرف مثل سائل فائق السيولة: يتدفق دون احتكاك، وأي دوران فيه يلتف إلى دوامات كمية صغيرة — خيوط بحجم نواة الذرة. في هالة عرضها آلاف السنين الضوئية، قد يكون هناك عدد لا يحصى من هذه الدوامات.

تخيل مخطوطة قديمة كُتبت فوق نصها القديم قصة جديدة. مع الزمن، تتلاشى الطبقة العليا لتظهر من تحتها سطور الماضي. هكذا تمامًا، وكأنها رقّ قديم، تتكون العناقيد الكروية — أقدم الأنظمة النجمية في الكون. منذ مطلع القرن العشرين، عندما استخدمها إدوين هابل كمنارات لقياس المسافات، ظلت هذه الأجرام مفتاحًا لتطور المجرات.

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.

تولد النجوم في سحب باردة من الغبار الكوني والهيدروجين. داخل هذه الشرانق، طالما اعتُبرت النجوم الأولية — نوى النجوم المستقبلية — مجرد كتل ساخنة. لكن اتضح أن العديد منها عبارة عن مسرعات قوية: تقذف نفاثات ضيقة من الغاز، والتي عند اصطدامها بالمادة المحيطة، تولد ضوء غاما غير المرئي.

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.

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.

وتران غيتار مشدودان على نفس الرقبة. إنهما متطابقان تقريبًا، لكن أحدهما أقصر قليلًا — فيصدران صوتين مختلفين. هكذا تقريبًا يبدو الشكلان المتصاوغان (isomers) للإيثانيمين: جزيئان لهما نفس مجموعة الذرات، لكنهما ملتويان في الفضاء بشكل مختلف. رصد علماء الفلك هذا الجزيء في السحب الكثيفة قرب مركز مجرتنا.

في الفرن يُخبز رغيف ضخم من الخبز. داخل العجين توجد بقعة صغيرة جدًا وأكثر سخونة - هناك يبدأ نمو الرغيف المستقبلي. تقريبًا هكذا تعمل النواة الجزيئية الساخنة (منطقة بحجم النظام الشمسي، حيث يسخن الغاز إلى مئات الدرجات ويُضغط بمليارات المرات مقارنة بالسحب العادية). في داخلها يختبئ جنين نجم ضخم، ويحاول علماء الفلك النظر إلى هذا "الفرن" دون فتح بابه.

في تجميع النظام الشمسي، كما في وصفة طبخ متقنة، لا يكون المزيج ثابتاً مسبقاً دائماً — أحياناً يُضاف المكوّن الأخير بينما الطبق على النار. هذا المكوّن بالنسبة للكواكب الخارجية كان تياراً من المواد من السحابة الجزيئية، تم حقنه في القرص الكوكبي الأولي بعد ملايين السنين من بدء التراكم.

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.

في السحب الجزيئية الباردة، حيث تنخفض درجة الحرارة إلى 10 كلفن، لا تتوقف الكيمياء. تتحول إلى رقصة بطيئة لا تخطئ. أيونات خفية، كالنحل الليلي، تنقل 'حبوب لقاح' الكربون من جزيء إلى آخر. تخيط الحلقات العطرية إلى تراكيب متعددة الحلقات غريبة. هذه العملية، التي أُعيد إنتاجها في مختبرات أرضية، أوضحت أخيرًا ولادة الهياكل الكربونية في الغبار 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.

في قلب سديم النسر، على بُعد حوالي 7000 سنة ضوئية منا، ترتفع ثلاث أعمدة هائلة من الغاز والغبار — أعمدة الخلق. شكلها مألوف لدى الكثيرين من صور تلسكوب هابل. الآن، سمحت كاميرا الأشعة تحت الحمراء الخاصة بويب بالنظر إلى داخل هذه الشُرنقات الكثيفة حيث تولد النجوم.

تأتي الثقوب السوداء في نوعين: صغيرة — بقايا انفجارات المستعرات العظمى، وعملاقة في نوى المجرات. ولكن أين اختفت المتوسطة، التي تبلغ مئات وآلاف المرات كتلة الشمس؟ ربما يكمن الجواب في تجمعات نجمية، حيث تتصادم الثقوب السوداء مثل كرات على طاولة البلياردو، وتنمو بالاندماج.

في مركز المجرة المزدحم، يدور نجمان متقاربان لدرجة أن أحدهما يجرّد الآخر من طبقاته الخارجية، مثلما تخلع الريح الملابس الخارجية. يبقى اللب الهيليومي الساخن، أي نجم بلا غلاف هيدروجيني. النجوم الخفيفة والثقيلة جداً من هذا النوع معروفة جيداً لدى علماء الفلك: الأولى تسمى الأقزام شبه الساخنة (hot subdwarfs)، والثانية نجوم وولف-رايت (Wolf-Rayet).

المستعر الأعظم هو الانفجار النهائي لنجم ضخم، يقذف المادة عبر سنوات ضوئية حوله. داخل الغلاف المتوسع يبقى نجم نيوتروني، ويستمر الغلاف نفسه في الاندفاع عبر الغاز بين النجمي لآلاف السنين. وفي مثل هذا الغلاف، الذي خلّفه انفجار، تمكن تلسكوب ALMA لأول مرة من رصد نوى جزيئية ساخنة — وهي كتل غازية متراصة تولد فيها نجوم جديدة.

تحتاج الشبكات الكمومية إلى وسيط بين وحدة التخزين – السِبين – والناقل – الضوء. لم يسبق لأي جزيء منفرد أن اضطلع بهذه المهمة. لكن الفيزيائيين وجدوا الآن حلاً. فقد وضعوا جزيء الكاربين داخل بلورة وبرّدوها إلى -269 درجة مئوية.

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.

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 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.

حبة رمل صغيرة أقدم من الأرض عُثر عليها في نيزك Meteorite Hills 00526. يبلغ حجمها نحو جزء من ألف من المليمتر. وهي مكوّنة من ثلاثة أجزاء: سيليكات تحتوي على المغنيسيوم والكالسيوم، وأكسيد الألومنيوم، وحبيبة من أكسيد التيتانيوم. هذه الذرة لم تولد في النظام الشمسي، بل في أعماق نجم خمد منذ زمن بعيد. الميكرومتر الواحد أرق بمئة مرة من شعرة الإنسان.

الأشعة الكونية هي جسيمات أولية ونوى ذرية تأتي من أعماق الفضاء، وقد تسارعت إلى طاقات لا يمكن بلوغها في المختبرات الأرضية. عندما يصطدم مثل هذا الجسيم بذرة في الغلاف الجوي للأرض، يتولد زخة هوائية واسعة — سلسلة من الجسيمات الثانوية التي تولّد بدورها موجات راديوية. هذه الإشارات الراديوية هي بمثابة «بصمات أصابع» للجسيم الأولي: فمن خلالها يمكن استعادة طاقته الأصلية واتجاه وصوله.

في الهالة الشمسية الملتهبة، حيث تتجاوز درجة الحرارة المليون درجة، تطفو سحب باردة كثيفة — الانتفاخات الشمسية الشمسية. تعلق لأسابيع دون أن تسقط أو تذوب، مثل جبال جليدية في محيط يغلي. كيف وصلت إلى هناك؟ سؤال ظل يحير علماء الفلك لعقود. محاكاة ثلاثية الأبعاد جديدة غطت جميع طبقات الغلاف الجوي الشمسي ولأول مرة أظهرت المسار الكامل من السطح إلى الهالة.