هيدروجين جزيئي

في أعماق الكواكب شبه النبتونية، وهي الكواكب الأكثر وفرة في المجرة ولكن لا يمكن الوقوف عليها، تمتزج الصهارة السيليكاتية والهيدروجين في كوكتيل واحد فوق حرج. كان يُعتقد سابقًا أنه تحت الغلاف الجوي الهيدروجيني الكثيف توجد حدود واضحة مع السيليكات المنصهرة، مثل الزيت فوق الماء. الآن أظهرت الحسابات أنه عند ضغوط ودرجات حرارة الأعماق، تذوب هاتان الطبقتان تمامًا في بعضهما البعض.

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.

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.

اثنان وسبعون قرص التنامي — شرنقة دوارة من الغاز والغبار، مليئة بـ الغبار الكوني والغاز — دخلت في مرمى أداة التحليل الطيفي على جيمس ويب. لدى معظمها، تندفع تيارات إلى الفضاء: هياكل مخروطية كثيفة ونفثات رفيعة عالية السرعة. تضرب مثل النوافير. هذه العملية ليست عشوائية.

لطالما بحث علماء الفلك عن 'مصانع' لأكثر الأشعة الكونية طاقة - جسيمات تحمل في طياتها عالما كبيرا مضغوطا إلى حجم نواة الذرة. كانت الشبهات تدور حول مناطق تشكل النجوم الضخمة مثل الدجاجة OB2، حيث تتصادم رياح العمالقة الشباب. لكن الطبيعة، كمحتال، أخفت قلب المسرع في مكان آخر - داخل نظام ثنائي ضيق.

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.

أوركسترا مزدحمة تعزف كل آلةٍ مقطوعتها الخاصة، وتحاول أنت أن تلتقط صوتًا خافتًا لناي نادر — لحنه يغرق في أصوات الكمانات والأبواق. هكذا تقريبًا تبدو مطاردة الجزيئات في السحب بين النجمية: التلسكوبات تلتقط «أصواتًا راديوية» لمواد عديدة، وتمييز الإشارة المطلوبة وسط الضجيج مهمة صعبة.

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).

الهيدروجين هو العنصر الأكثر انتشاراً. فذراته تشبه الهوائيات: تشع وتمتص الضوء عند ترددات محددة بدقة. تنبأ أينشتاين بأن الزمكان يمكن أن يتموج - هذه هي الموجات الثقالية.

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.

مدينة بعيدة خلف زجاج مغطى بالبخار: الأضواء الساطعة تذوب وتفقد تفاصيلها. هكذا تقريباً يرى علماء الفلك الغاز المحتوي على أيونات المغنيسيوم (المغنيسيوم) في مجرتنا — فالخطوط الطيفية الأقوى «تتجاوز الحد»، فلا يمكن معرفة كمية المادة الفعلية. في الدراسة الجديدة، استخدم العلماء «زجاجاً نظيفاً» — 482 رصداً أرشيفياً من تلسكوب هابل الفضائي موجهة نحو كوازارات بعيدة.

نارٌ أُشعلت من كحول نقي تشتعل بحرارة عالية ولا يكاد يتصاعد منها دخان. هكذا تقريبًا كانت تُضيء النجوم الأولى، إذ لم تكن تحتوي على عناصر ثقيلة، بل فقط الهيدروجين والهيليوم المتبقيين بعد الانفجار العظيم. ربما تمكن تلسكوب «جيمس ويب» من رصد إحدى هذه «النيران» في المجرة GN-z11.

ورقة من الورق لا تزن شيئًا تقريبًا، لكن إذا كوّمت مئة ورقة في كومة، ستحصل على حزمة ملموسة. هذا ما فعلوه تقريبًا مع مادة تجيد تحويل لون ضوء إلى آخر، لكن فقط عندما تكون بسماكة ذرة واحدة. طبقة واحدة مثل ورقة واحدة: تعمل بشكل جميل، لكنها رقيقة جدًا بحيث لا تعطي الكثير من الضوء. أخذ العلماء ثنائي كبريتيد الموليبدينوم — وهي مادة تشتهر في شكل أحادي الطبقة باستجابة لاخطية قوية.

في سحابة كثيفة من الغاز والغبار، حيث تولد النجوم العملاقة، رصد تلسكوب ALMA شيئًا مألوفًا. أربع نفاثات غازية رفيعة تنطلق من المنطقة نفسها، وكل واحدة تترك خلفها سلسلة من العُقَد المضيئة — مثل خط متقطع. كل عقدة هي «طلقة» منفصلة: النجم يقذف الغاز ليس في تدفق منتظم، بل على دفعات مع فترات توقف. نفاثتان تنحنيان مثل حرف S.

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.

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.

رُصد المذنب 3I/ATLAS عند دخوله المجموعة الشمسية من الفضاء بين النجمي. قام تلسكوب جيمس ويب بتحليل ضوء سحابة الغاز المحيطة به إلى طيف - طيف - حيث ظهرت في هذا النمط خطوط لجزيئات نادرة تحوي الديوتيريوم (الهيدروجين الثقيل).

سحابة غازية بحجم مجرة صغيرة تسقط نحو درب التبانة بسرعة تبلغ مئات الكيلومترات في الثانية. تُعرف هذه السحب باسم السحب عالية السرعة، ولم يكن يُعثر فيها حتى الآن على نجوم، بل غاز فقط. الآن، في إحداها التي تحمل اسم Complex H، رصد علماء الفلك زوجًا من التجمعات النجمية الفتية. عمر التجمعين 11,2 مليون سنة — وهو عمر طفولي بمقاييس النجوم.

في سحابة تولد فيها نجوم ضخمة، توجد نواة كثيفة ساخنة. وكما يحدث في مطبخ مزدحم حيث تتصاعد الروائح من حرارة الموقد، هنا أيضًا تسبب حرارة النجوم الفتية تبخر الجزيئات من سطح حبيبات الغبار الكوني. وجّه علماء الفلك مصفوفة الهوائيات الكبيرة ALMA في صحراء أتاكاما التشيلية نحو مثل هذه النواة — G358.93-0.03 MM1 — ورصدوا لأول مرة إشارة راديوية لحمض النمل.

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.

تبدو السماء ليلًا مظلمة، لكنها في الحقيقة مليئة بتوهج خافت. معظم هذا الضوء ينشأ في سحب غير مرئية من الغاز البارد — ذلك الغاز الذي تولد منه نجوم جديدة. هذا الغاز لا يشع تقريبًا، لذا يصعب رصده. لكنه أحيانًا يكشف عن نفسه عبر موجات راديوية تنبعث من جزيئات أول أكسيد الكربون (CO). لأول مرة، التقط علماء الفلك هذا التوهج الخافت من السماء بأكملها دفعة واحدة، وليس من مجرات منفردة.

حول النجوم الفتية تدور أقراص من الغاز والغبار — وكأنها مواقع بناء للكواكب المستقبلية. من هذه المادة ستتجمع لاحقًا عوالم صخرية وعمالقة غازية. لذلك فإن التركيب الكيميائي للقرص يحدد بشكل مباشر ما ستكون عليه الكواكب. نظر تلسكوب جيمس ويب إلى الأقراص حول نجوم خفيفة جدًا — تلك التي يبلغ وزنها حوالي عُشر وزن الشمس.

في الهواء الذي نتنفسه، تحدث باستمرار أحداث كيميائية غير مرئية للعين. أحدها هو ولادة وموت لحظي لجسيم بصيغة H₂COO. يُطلق عليه "مركب وسيط": يظهر لجزء من الثانية عندما تصطدم جزيئات الأوزون بمواد عضوية، ثم يتحلل فورًا إلى شظايا أبسط. هذا الجسيم مثل ساعي بريد يخرج من الباب ويسقط الطرد فورًا: المهم هو ما الذي يسقط وفي أي اتجاه. بنى العلماء نموذجًا حاسوبيًا يحاكي سلوك كل ذرة في هذا الجسيم.

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.

مجفف شعر موجه نحو قطعة جليد يزيل البخار والقطرات من السطح، ويذوب الجليد تدريجيًا. تقريبًا هكذا تعمل الرياح القادمة من مركز مجرتنا: فهي تلتقط السحب الباردة من الغاز وتحملها بعيدًا، وفي الوقت نفسه تسخنها وتمزقها إربًا. قرر علماء الفلك لأول مرة البحث بشكل منهجي عن الجزيئات في هذا التدفق – وهو أبرد أنواع الغاز وأكثرها كثافة.

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.

ينظر تلسكوب جيمس ويب إلى النجم TRAPPIST-1 — قزم أحمر صغير يدور حوله سبعة كواكب بحجم الأرض. ويرى أمرًا غير عادي: الومضات الساطعة على هذا النجم تصل بالكاد إلى 3500–4000 درجة. للمقارنة، تسخن الومضة الشمسية العادية إلى 9000–10000 درجة. لماذا هي باردة إلى هذا الحد؟ الجواب مختبئ في الغلاف الجوي للنجم نفسه.