خیلی وقت پیش، در کهکشانی که اصلاً فاصلهای با ما نداشت، ابری از گاز که تحت گرانش خود فرو میریخت، ستارهای تازه را به دنیا آورد. حدود ۴٫۵ میلیارد سال بعد، بخش بسیار کوچکی از نور همان ستاره، امروز پرهزینهترین و دقیقترین آرایه طیفسنج مادونقرمزِ ساختهشده تا به حال را تغذیه میکند؛ دستکم در این منظومهٔ شمسی.
به گزارش شیمی کلاب، در حالی که تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) با «چشمان» مادونقرمز خود به جهان مینگرد، لحظاتی از تولد و تحول پیشستارهها و سیارات را ثبت میکند که پیش از این هرگز دیده نشده بودند.
اواین فاندیشوک، اخترفیزیکدان مولکولی از دانشگاه لیدن هلند، میگوید: «با JWST ما در حال دنبالکردن یک ردّ مولکولی هستیم؛ از ابرهای پراکنده میانستارهای، به ابرهای متراکمتری که فرو میریزند و ستارههای جدید را میسازند، سپس به قرصهای پیشسیارهایِ اطراف ستارههای جوان، و در نهایت به خود سیارات.» او میافزاید: «پرسش کلیدی همیشه این است که ترکیب شیمیایی منظومههای سیارهای تازه چیست—و آیا میتوانند قابل سکونت باشند یا نه؟»
برای نخستین بار، JWST ابتداییترین مراحل شکلگیری سیاره را در سامانهای شبیه منظومهٔ خودمان مشاهده کرده است؛ با شناسایی دانههای بسیار ریز معدنی که از گازهای داغِ در حال گردش در نزدیکی ستارهٔ نوزاد HOPS-315 در سحابی جبار (اوریون) متراکم میشوند. همچنین در JADES-GS-z14-0، دورترین کهکشانی که تاکنون مشاهده شده، JWST شیمیای بهطرز غیرمنتظره غنی را شناسایی کرده است—در کهکشانی آنقدر دور که نورش میلیاردها سال در راه بوده؛ یعنی ما آن را کمتر از ۳۰۰ میلیون سال پس از مهبانگ مشاهده میکنیم. و بر روی سیارهٔ فراخورشیدی بالقوه قابل سکونت K2-18 b، که نامزد یک دنیای «هایسین» با اقیانوسهای آب مایع است، گزارشهایی از شناسایی مقدماتیِ یک نشانگر زیستی احتمالی به نام دیمتیلسولفید منتشر شده است.
فراتر از آشکارسازی تنوع شگفتانگیز شیمی اخترى که در نور ستارگان پنهان است، JWST تصاویری خیرهکننده از جهان پیرامون ما نیز بازمیگرداند.
بینایی مادونقرمز
الیزا کمپسون، پژوهشگر سیارات فراخورشیدی در دانشگاه شیکاگو آمریکا، توضیح میدهد که تلسکوپهای مادونقرمز ابزار ایدهآلی برای بررسی ترکیب مولکولی کیهان هستند. در دماهای معمولِ شکلگیری و تحول سامانههای سیارهای، ماده عمدتاً بهصورت مولکولی است. او میگوید: «مولکولها نور را بیشترین و مؤثرترین جذب را در ناحیهٔ مادونقرمز دارند، بنابراین رصد در این طولموجها دقیقاً همان جایی است که باید به آن نگاه کرد.»
کمپسون سیارات فراخورشیدیِ در مدار ستارگان دوردست را مطالعه میکند و با بررسی شیمی جوّ آنها، تصویری از این دنیاهای بیگانه میسازد. ترفند کار این است که طیف مادونقرمزِ ستارهٔ میزبان را هنگامی که سیارهٔ فراخورشیدی از مقابل آن عبور میکند، پایش کنیم. زمانی که مولکولهای موجود در جوّ سیاره با جذب و گسیل نور مادونقرمز بین حالتهای انرژی ارتعاشی جابهجا میشوند، «اثر انگشت» طیفیِ خود را در نوری که آینههای JWST جمعآوری میکنند، بر جای میگذارند. کمپسون میگوید: «در واقع یک عدسی دارید که مستقیم از میان جوّ سیاره عبور میکند.»
کمپسون که عمدتاً نظریهپرداز است، مدلسازی میکند که جوّ سیارات فراخورشیدی مختلف بر اساس ترکیب احتمالیشان در مادونقرمز چگونه دیده میشوند. او میگوید: «و سعی میکنم اینها را به پرسشهای بزرگتر پیوند بدهم—اینکه این سیارات چگونه شکل گرفتهاند و چگونه تکامل یافتهاند.»
از آنجا که جوّ زمین نور مادونقرمز ورودی را تضعیف میکند، اخترشناسی مادونقرمز بهترین عملکرد را از فضا دارد. نخستین مشاهدهٔ جوّ یک سیارهٔ فراخورشیدی در سال ۲۰۰۲ انجام شد؛ زمانی که طیفسنج تصویربرداری تلسکوپ فضایی هابل، سدیم را در جوّ سیارهای که به دور ستارهٔ HD 209458 میچرخید، شناسایی کرد. سال بعد، ناسا پیشدرآمد JWST را با پرتاب تلسکوپ فضایی مادونقرمز اسپیتزر آغاز کرد.
کمپسون میگوید: «من دورهٔ دکتریام را زمانی شروع کردم که نخستین اندازهگیریهای جوّ سیارات فراخورشیدی تازه در حال انجام بود؛ برای مشتریهای داغ، یعنی سادهترین نوع سیاراتی که میشد امیدوار بود آنها را رصد کرد.» این غولهای گازی تقریباً هماندازهٔ مشتری هستند، اما بهدلیل مدار بسیار نزدیکشان به ستارهٔ میزبان، بسیار داغترند.
رقص مولکولی روی یخها
برای درک اینکه سیارات فراخورشیدی چگونه به ترکیب شیمیایی کنونی خود میرسند، رابین گَراد از دانشگاه ویرجینیا در آمریکا تمرکز خود را بالاتر در «ردّ مولکولی» میگذارد؛ جایی که ستارهٔ میزبانِ آیندهٔ سیارهٔ فراخورشیدی تازه در حال آغازِ شکلگیری است.
در مقایسه با محیط میانستارهایِ فوقالعاده سرد—جایی که معمولاً با مولکولی مثل مونوکسید کربن روبهرو میشوید—مناطق زایش ستاره از نظر شیمیایی بسیار جالبترند. گَراد میگوید: «تولید ترکیبات آلی پیچیدهتر و اشباعشده—چیزهایی که میتوان آنها را مولکولهای پیشازیستی نامید—بهطور ویژهای با شکلگیری ستاره و سیاره مرتبط است. پرسش این است: چرا فرایند شکلگیری ستاره تا این حد از چنین شیمیای غنی است؟»
شکلگیری ستاره با ابری از گاز و غبار که در مرکز متراکم شده آغاز میشود. گَراد میگوید: «در ابتدا بسیار سرد است، بنابراین با شیمی یخها سر و کار داریم.» یخهای آب، مونوکسید کربن، دیاکسید کربن، متان و آمونیاک روی دانههای غباریِ سیلیکاتی منجمد میشوند. اما وقتی پیشستارهٔ نوزاد شروع به گرمکردن محیط اطرافش میکند، این یخها بهتدریج تصعید میشوند.
پیش از JWST، روشنترین تصویر ما از این شیمیِ اخترى از تلسکوپهای میلیمتری و زیرمیلیمتری به دست میآمد؛ ابزارهایی که مولکولها را در فاز گازی از طریق گذارهای چرخشیشان آشکار میکنند. گَراد میگوید: «ما شیمیِ فاز گازیِ فوقالعاده غنیای میدیدیم که نشان میداد مقدار زیادی ترکیبات آلی پیچیده وجود دارد.» اما مشخص نبود این مولکولهای پیچیده از کجا آمدهاند.
یکی از نظریهها این بود که این ترکیبات پس از تصعید مواد اولیهٔ ساده، از طریق شیمیِ فاز گازی شکل میگیرند. به گفتهٔ گَراد، فرمیات متیل یکی از ترکیبات آلی پیچیدهای است که بهطور معمول در محیطهای گازیِ پیشستارهای مشاهده میشود. او میگوید: «ایدههایی داشتیم که چگونه ممکن است در فاز گاز تشکیل شود، اما هرچه محاسبات و آزمایشهای بیشتری انجام شد، آن ایدهها بیشتر فرو ریختند.»
مطالعات محاسباتی گَراد از این نظریه پشتیبانی میکند که ترکیبات آلی پیچیده روی خودِ یخها شکل میگیرند. این سازوکار ممکن است با مولکول سادهای مثل مونوکسید کربن که به یخ چسبیده آغاز شود و با هیدروژن اتمی -که در فضا بهوفور یافت میشود- واکنش دهد. رادیکال حاصل ممکن است با هیدروژن اتمیِ بیشتری برخورد کند و فرمالدهید یا متانول بسازد. گَراد میگوید: «اما گاهی این رادیکالهای میانی با یکدیگر واکنش میدهند.» در نتیجه، ممکن است یک پیوند جدید کربن –کربن یا کربن– اکسیژن شکل بگیرد.
