كيمياء التراكم الكوكبي

ثلاث خزائن مليئة بالحجارة. في الأولى: حبيبات معدنية ومعدن رمادي اسمه إنستاتيت. في الثانية: نفس الحبيبات لكن مع عروق صدأ. في الثالثة: طينات طبقية منتفخة بالماء. المجموعات الثلاث كلها أُخذت من نيازك سقطت على الأرض، وهي كوندريتات. وُلدت جميعها في قرص غباري واحد حول الشمس الفتية، لكنها خرجت مختلفة بشكل غريب. في السابق كان يُعتقد أن القرص يحتوي مناطق بكميات متفاوتة من الأكسجين.

في أعماق الفضاء الباردة تسبح صخور أقدم من الأرض نفسها. داخل بعضها تختبئ كريات زجاجية صغيرة — الكوندريلات، وهي كرات بحجم المليمتر، قطرات متجمدة من مادة سيليكاتية منصهرة. تشكلت عندما كان قرص الكواكب الأولي من الغاز والغبار لا يزال يدور حول الشمس الفتية — ذلك "المهد" الذي ستتجمع منه الكواكب لاحقًا.

حول النجوم الفتية تدور سحب مسطحة من الغاز والغبار — أقراص كوكبية أولية، مهد الأنظمة الكوكبية المستقبلية. في بعضها، تخلو المنطقة المركزية: يُكنس الغاز والغبار وكأن أحدهم خفف منتصف أسطوانة فينيل. يطلق علماء الفلك على هذه الأقراص ذات التجاويف الداخلية اسم الأقراص الانتقالية. للنظر داخل هذه السحب، يحلل العلماء إشعاع الجزيئات.

في فرن تشكل النجوم تصل الحرارة إلى 900 درجة – مثل فرن الصهر المتوهج. في مثل هذا الأتون تولد البلورات الكونية. تمكن علماء الفلك لأول مرة من رصد لحظة ظهور الغبار البلوري مباشرة أثناء توهج تراكمي (يبتلع النجم الغاز المحيط دفعة واحدة) عند نجم فتي جدًا هو EC 53، لا يزال يلفه شرنقة كثيفة من الغاز.

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.

النجم AB Aur نجمٌ فتِيّ يبلغ عمره حوالي 4 ملايين سنة. يدور حوله قرص كثيف من الغاز والغبار. مؤخرًا، اصطدم به ذراع غازي طويل — تدفق من المادة قادم من السحابة المحيطة. وجّه علماء الفلك التلسكوب الراديوي NOEMA نحو هذا القرص، فرأوا أن كيميائيته ليست موحّدة: فالجزء الشمالي يغلب عليه الكبريت، بينما يغلب على الجنوبي الهيدروكربونات.

بين الكواكب الخارجية المتوهجة التي تدور على مسافة خطيرة من نجومها، يكمن سر النشأة. منذ ما يقرب من ثلاثة عقود، اكتشف ميشيل مايور وديدييه كيلو أول عالم من هذا النوع، ومنذ ذلك الحين يحير علماء الفلك سؤال: كيف ينتهي المطاف بعملاق غازي ملتصقًا بوجه نجمه؟ التكوّن المباشر هناك غير وارد – حرارة شديدة، ومواد…

عندما ينمو كوكب عملاق، فإنه يسحب الغاز إليه. جزء من هذا الغاز يدور حوله مكونًا قرصًا صغيرًا يُعرف بالقرص المحيط بالكوكب. يُعتقد أن الأقمار تنشأ في مثل هذه الأقراص. بالنسبة للكوكب PDS 70 c، الذي يبعد 370 سنة ضوئية عنا، شوهد هذا القرص مباشرة باستخدام مصفوفة الهوائيات ALMA في نطاق المليمتر.

كانت الأرض الفتية كرة ملتهبة من الصخور السائلة، بينما كانت ثيا التي اصطدمت بها قد بردت وتحجرت. كمثل إلقاء قطعة من الزبدة الباردة في قدر الحساء: يتناثر الحساء، بينما الزبدة بالكاد تتحرك. هكذا اندفعت باطن الأرض إلى الفضاء، مكوّنة سحابة من الغبار الكوني والحطام. ومع الوقت، تشكّل القمر من هذه السحابة.

إذا ضغطت الماء بين زجاجتين بحيث يتسع لطبقتين فقط من الجزيئات، فإنه يتحول إلى شيء بين السائل والجليد. في درجة حرارة الغرفة، لا تزال الجزيئات في هذا المصيدة تتحرك، لكنها تصطف في ما يشبه الشبكة البلورية.

نظر تلسكوب جيمس ويب إلى قرص كوكبي أولي — سحابة من الغاز والغبار حول نجم شاب حيث تولد الكواكب — وتمكن لأول مرة من التمييز طيفيًا جليدًا من الماء الثقيل.

حساء كثيف يبرد ببطء في قدر. فجأة، تشتعل النار تحته، فيبدأ الحساء بالغليان ويتكسر إلى العديد من الدوامات الصغيرة. هذا تقريبًا ما يفعله قرص الغاز والغبار حول نجم فتّي عندما يشهد توهجًا — تدفقًا مفاجئًا للمادة من القرص إلى النجم. لاحظ علماء الفلك منذ زمن طويل مثل هذه التوهجات لدى النجوم الفتية، لكنهم حتى الآن لم يتمكنوا من تتبع ما يحدث للغبار في القرص أثناء هذه الأحداث بالتفصيل.

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.

تشبه الكوندريولات قطرات مطر متجمدة من الصخر. حجمها بحجم حبة رمل، لكنها تحفظ تاريخ أول ملايين السنين من عمر النظام الشمسي. ذات يوم، كانت هذه القطرات تسبح في غاز حار حول الشمس الفتية، ثم التحمت لتكوّن كويكبات وسقطت على الأرض ضمن نيازك. بنى العلماء نموذجًا حاسوبيًا للقرص الذي وُلدت فيه الكواكب. تتبعوا رحلة الأكسجين عبر القرص مع المادة المتساقطة من السحابة.

خيوط بروتينية طويلة، تشابكاتها المعقدة، واتصالاتها العشوائية — هكذا كان يُفسَّر عادةً نشوء القطرات الخلوية. هذه العضيات غير الغشائية، حيث تجري تفاعلات مهمة، تشبه قطرات الزيت في الماء: فهي تنشأ تلقائيًا عندما تنفصل الجزيئات إلى أطوار. لكن العمل الجديد نظر إلى مستوى أدنى — حيث لا تحكم الطول بل البصمة الكيميائية.

في الأطراف الباردة للنظام الشمسي، يُعتبر الماء مادة البناء الرئيسية للجليد. لكن في بعض المذنبات والأجسام الجليدية البعيدة، تكون نسبة أول أكسيد الكربون (CO) إلى الماء مرتفعة بشكل غير عادي — وكأن الآيس كريم فجأة يحتوي على الكثير من الشراب. من أين يأتي هذا الاختلال؟ حاول مؤلفو العمل الجديد معرفة ذلك.

تولد الكواكب من الغبار. في القرص حول نجم فتي، تتصادم حبيبات الغبار الصغيرة وتلتصق وتنمو تدريجيًا مثل كرة الثلج التي تتدحرج من الجبل. لكن هناك عائق: الغاز في القرص يتحرك أسرع من الغبار ويبطئه، مانعًا إياه من التجمع في كتل كبيرة. لكي يلتصق الغبار، يجب أن تكون كميته كافية. عندها تبدأ الحبيبات في "الإحساس" ببعضها البعض وتتجمع في تكثفات كثيفة.

في القرص الكوكبي الأولي - سحابة من الغاز والغبار حول نجم شاب - لا تطير حبيبات الغبار في دوائر فحسب. بل تنجرف مع تدفق الغاز مثل الرمال مع الريح، وتغير هي نفسها هذا التدفق. تنشأ طبقات تنزلق بالنسبة لبعضها البعض، وعند حدودها يولد عدم استقرار - موجات ودوامات. في مثل هذه المناطق الدوامية يتجمع الغبار في كتل، والتي تنمو لاحقًا لتصبح كواكب.

الكوكب الفتي في القرص الغازي يشبه سباحاً يحاول السباحة عكس التيار: الاحتكاك بالغاز يبطئه، فيقترب من النجم بشكل حلزوني. بالنسبة للكواكب الصخرية الصغيرة، قد يستغرق هذا السقوط وقتاً أقل من الوقت اللازم لنموها. لكن في القرص توجد أيضاً تيارات معاكسة — دوامات يمكنها أن تدفع الكوكب إلى الخارج. بنى العلماء نموذجاً حاسوبياً لقرص حول نجم فتي.

الجسم الجليدي أروكوث يشبه رجل الثلج: كرتان ملتصقتان ببعضهما. هناك العديد من هذه الأجسام ذات الرأسين خلف مدار نبتون، في حزام كايبر. لفترة طويلة، كان يُعتقد أنها تنشأ من تصادم بطيء بين جسمين منفصلين. النمذجة الجديدة تُظهر مسارًا مختلفًا. سحابة من الحصى الصغيرة حول الشمس الفتية تنضغط بفعل جاذبيتها الذاتية. لا تتكتل الحصى في كرة واحدة، بل في كتلتين متجاورتين تلتحمان معًا بلطف.

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 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.

على بعد 130 سنة ضوئية منا، تدور أربعة كواكب عملاقة حول النجم الفتي HR 8799، كل منها أثقل من المشتري بمقدار يتراوح بين 5 و10 مرات. وهي تقع بعيدًا عن النجم، على مسافات تتراوح بين 15 و70 وحدة فلكية (الوحدة الفلكية الواحدة هي المسافة بين الأرض والشمس). نظر تلسكوب جيمس ويب إلى أغلفتها الجوية ورأى أن تكوين الغازات مختلف في كل منها.

حول النجوم الفتية تدور سحب مسطحة من الغاز والغبار — ومنها تتجمع الكواكب لاحقًا. لكي تلتصق المادة في مثل هذا القرص وتتكتل، يجب أن تختلط باستمرار. ولكن ما الذي يجعل الغاز يتحرك بشكل عشوائي إذا كان هادئًا في حد ذاته؟ جزء من الإجابة يكمن في أن الغاز في القرص بالكاد يوصل الكهرباء — فهو ضعيف التأين.

حول النجم HD 163296، على بُعد 330 سنة ضوئية منا، يدور قرص كثيف من الغاز والغبار. تمكن علماء الفلك من رصد بقعة صغيرة لكن ساطعة من جزيئات حمض الهيدروسيانيك والإيثينيل. تقع هذه البقعة على مسافة 88 وحدة فلكية من النجم — أبعد من بلوتو عن الشمس. حرارة الكوكب المتشكل، المختبئ في هذه البقعة، تُذيب الغبار المتجمد.

حول نجم شاب يدور قرص مسطح من الغاز والغبار — وهو المادة الخام لكواكب المستقبل. يسخنه النجم بالأشعة فوق البنفسجية، فيتطاير الغاز من سطح القرص إلى الفضاء، مثل الماء من بركة صغيرة تحت الشمس. إذا كان التبخر نشطًا، تظهر فجوة في القرص — ثغرة حلقية خالية من المادة.

ينمو الكوكب الفتي مثل كرة الثلج المتدحرجة على منحدر: تلتصق به حصى صغيرة لا تُحصى من القرص الغازي المحيط. وكلما كبر، زاد جذبه للغاز — الهيدروجين والهيليوم. فيتكوّن حوله غلاف كثيف وحار. الحصى المتساقطة عبر هذا الغلاف تسخن بفعل الاحتكاك وثقلها الذاتي، مثل حبات الرمل الساقطة في عسل كثيف.

من بين الكواكب الخارجية، تنتشر الكواكب شبه النبتونية – عوالم أصغر بقليل من نبتون. يُكتشف معظمها بـطريقة العبور (بمراقبة احتجاب ضوء النجم)، التي كان رائدها ويليام بوروكي. كان يُعتقد سابقاً أن هذه الكواكب إما جافة وتحيط بها الهيدروجين، أو رطبة بكميات كبيرة من الماء.

أكثر أنواع الكواكب شيوعًا في مجرتنا هي العوالم الصخرية حول نجوم أخرى، أو كواكب خارجية، مغلفة بأبسط الغازات وهو الهيدروجين. ظل باطنها لغزًا حتى أعاد العلماء خلق ظروف الأعماق في المختبر.