نخستین مولکولی که در جهان به وجود آمد، سرانجام در اعماق فضا کشف شد

سایت بدون -چند صد هزار سال پس از مه‏‌‌‌‌‌بانگ، جهان نوپای ما که در ابتدا شبیه به یک سوپ داغ بود به اندازه‏‌‌‌‌‌ای خنک شد که کوچک‏‌‌‌‌‌ترین اجزاء سازنده حیات برای نخستین بار بتوانند به شکل اتم با هم ترکیب شوند. سپس در یک روز دل‏‌‌‌‌‌انگیز که دما بسیار مطبوع بود – چیزی در حد ۳۷۰۰ درجه سانتی‏‌‌‌‌‌گراد – یک اتم هلیوم جوان با پروتون مجردی آشنا شد که در واقع یک یون هیدروژن با بار مثبت بود. حاصل پیوند میان آنها نخستین مولکولی بود که در جهان به وجود آمد: هیدرید هلیوم یا HeH+.

دانشمندان برای نزدیک به یک قرن نسخه‏‌‌‌‌‌های دست‏‌‌‌‌‌ساز و آزمایشگاهی این مولکول کهن را بررسی کردند، اما در جهان امروزی هرگز نتوانسته بودند ردی از آن پیدا کنند. سرانجام انتظار به سر آمد و اخترشناسان در مقاله‏‌‌‌‌‌ای که ۱۷ آوریل امسال در ژورنال نیچر منتشر شد، اعلام کردند با استفاده از یک تلسکوپ هوابرد توانستند HeH+ را در ابری از گاز پیرامون یک ستاره در حال مرگ شناسایی کنند که ۳۰۰۰ سال نوری با ما فاصله دارد.

بنا به گفته این پژوهشگران، این کشف که دستیابی به آن عملا بیش از ۱۳ میلیارد سال طول کشیده است، به طور قطع نشان می‏‌‌‌‌‌دهد که هیدرید هلیوم در شرایطی مشابه با آنچه در جهان اولیه وجود داشت شکل گرفته است. این پژوهشگران در مقاله‏‌‌‌‌‌شان می‏‌‌‌‌‌نویسند «هرچند HeH+ در زمین امروزی اهمیت چندانی ندارد اما شیمی جهان عملا با شکل‏‌‌‌‌‌گیری این یون آغاز شده است. آشکارسازی قطعی این مولکول که شرح آن در این مقاله گزارش شده است پایان خوشی است برای جست‏‌‌‌‌‌وجویی که چند دهه جریان داشت.»

نخستین مولکول
هیدرید هلیوم که عملا قوی‏‌‌‌‌‌ترین اسید شناخته‏‌‌‌‌‌شده در زمین است نخستین بار در سال ۱۹۲۵ به طوری مصنوعی در آزمایشگاه ساخته شد. این مولکول از هیدروژن و هلیوم تشکیل شده است، دو عنصری که فراوانی‏‌‌‌‌‌‏‌‌‌‌‌شان در جهان بسیار بیشتر از سایر عناصر است و نخستین محصولاتی هستند که ۸/۱۳ میلیارد سال پیش از رآکتور هسته‏‌‌‌‌‌ای مه‏‌‌‌‌‌بانگ بیرون آمدند. به همین دلیل دانشمندان از مدت‏‌‌‌‌‌ها قبل پیش‏‌‌‌‌‌بینی کرده بودند که وقتی جهان اولیه به اندازه‏‌‌‌‌‌ای خنک شد که اجازه دهد پروتون‏‌‌‌‌‌ها، نوترون‏‌‌‌‌‌ها و الکترون‏‌‌‌‌‌ها در قالب اتم‏‌‌‌‌‌ها کنار هم قرار بگیرند، مولکول هیدرید هلیوم باید نخستین مولکولی باشد که به وجود آمد.

دانشمندان نمی‏‌‌‌‌‌توانند نوار جهان را به عقب برگردانند و این مولکول نوپا را درست در همان جایی که متولد شد شکار کنند اما می‏‌‌‌‌‌توانند در بخش‏‌‌‌‌‌هایی از جهان امروزی دنبالش بگردند که بیشترین شباهت را به آن شرایط محیطی فوق داغ و فوق چگال دارد. خوشبختانه امروز می‏‌‌‌‌‌توان چنین شرایطی را در سحابی‏‌‌‌‌‌های جوان متشکل از گاز و پلاسمای داغی که از دل ستاره‏‌‌‌‌‌های در حال مرگ بیرون می‏‌‌‌‌‌زنند، پیدا کرد.

این اجرام تماشایی که به «سحابی‏‌‌‌‌‌های سیاره‏‌‌‌‌‌نما» شهرت دارند، زمانی به وجود می‏‌‌‌‌‌آیند که ستاره‏‌‌‌‌‌های خورشید‏‌‌‌‌‌مانند به پایان چرخه حیات‏‌‌‌‌‌شان می‏‌‌‌‌‌رسند. در این مرحله پوسته‏‌‌‌‌‌های بیرونی ستاره منفجر می‏‌‌‌‌‌‏‌‌‌‌‌شود و آنچه از ستاره پژمرده بجا می‏‌‌‌‌‌ماند، چیزی موسوم به «کوتوله سفید» است که به آرامی سرد می‏‌‌‌‌‌شود و درنهایت تبدیل به یک گوی کریستالی خواهد شد. وقتی این ستاره‏‌‌‌‌‌های در حال مرگ دارند خنک می‏‌‌‌‌‌شوند، هنوز آنقدر داغ هستند که بتوانند در همسایگی‏‌‌‌‌‌شان اتم‏‌‌‌‌‌های هیدروژن را از الکترون خالی و عملا آنها را به پروتون‏‌‌‌‌‌های عریانی تبدیل کنند که برای شکل‏‌‌‌‌‌گیری HeH+ ضروری است.

پوست‏‌‌‌‌‌اندازی ستاره
آشکارسازی هیدرید هلیوم حتا در نزدیک‏‌‌‌‌‌ترین سحابی‏‌‌‌‌‌ها به زمین نیز کار بسیار دشوار و پیچیده‏‌‌‌‌‌ای است. در واقع این مولکول در طول‏‌‌‌‌‌موج‏‌‌‌‌‌های فروسرخی تابش می‏‌‌‌‌‌کند که در اتمسفر سیاره ما به راحتی گم‏‌‌‌‌‌وگور می‏‌‌‌‌‌شوند. در این پژوهش جدید، اخترشناسان با استفاده از تلسکوپی که روی هواپیمایی موسوم به «سوفیا» (رصدخانه استراتوسفری اخترشناسی فروسرخ) سوار شده بودند، توانستند از محیط غبارآلود اتمسفر زمین خلاص شوند. در طول سه مرحله پرواز سوفیا در سال ۲۰۱۶، اخترشناسان تلسکوپ مستقر در هواپیما را روی یک سحابی سیاره‏‌‌‌‌‌نما موسوم به NG۷۰۲۷ تنظیم کردند که ۳۰۰۰ سال نوری با زمین فاصله دارد. ستاره مرکزی این سحابی یکی از داغ‏‌‌‌‌‌ترین نمونه‏‌‌‌‌‌های شناخته‏‌‌‌‌‌شده در آسمان است و آنطور که اخترشناسان در مقاله اخیر ژورنال نیچر نوشته‏‌‌‌‌‌اند، تخمین زده می‏‌‌‌‌‌شود که این ستاره تنها ۶۰۰ سال پیش پوست‏‌‌‌‌‌اندازی کرده و پوشش بیرونی‏‌‌‌‌‌اش را از دست داده است. بنابراین با توجه به اینکه محیط اطراف این سحابی هنوز بسیار داغ، جوان و فشرده است موقعیت کاملا ایده‏‌‌‌‌‌آلی برای شکار طول‏‌‌‌‌‌موج‏‌‌‌‌‌های هیدرید هلیوم به شمار می‏‌‌‌‌‌رود و دقیقا همین‏‌‌‌‌‌جا بود که تلسکوپ سوفیا توانست مولکول‏‌‌‌‌‌های HeH+ را پیدا کند.

به گفته کاشفان این مولکول گریزپا «آشکارسازی ردپای فروسرخ هیدرید هلیوم در اطراف یک ستاره در حال مرگ نخستین مدرک قطعی از وجود آنها در جهان امروزی است که همچنین نظریه‏‌‌‌‌‌های پیشین درباره شکل‏‌‌‌‌‌گیری اولیه این مولکول نادر را تایید می‏‌‌‌‌‌کند.» دیوید نیوفلد (D.Neufeld)، استاد اخترشناسی دانشگاه جانز هاپکینز و یکی از نویسندگان مقاله اخیر، می‏‌‌‌‌‌گوید «کشف HeH+ در واقع نمایشی دراماتیک و زیبا از گرایش طبیعت به شکل‏‌‌‌‌‌گیری مولکول‏‌‌‌‌‌ها است. با وجود اجزایی نه‏‌‌‌‌‌چندان امیدوارکننده مانند ترکیبی از هیدروژن و گاز نجیب هلیوم که تمایلی به واکنش ندارد و همچنین شرایط محیطی نامساعدی با دمای چند هزار درجه سانتی‏‌‌‌‌‌گراد، باز هم این مولکول‏‌‌‌‌‌های شکننده به وجود می‏‌‌‌‌‌آیند.»
Livescience, Apr. ۲۰۱۹

شکار مولکول گریزپا بر بال سوفیا
هیدرید هلیوم، ملکولی از آن به عنوان نخستین مولکول جهان یاد می‏‌‌‌‌‌شود، اساسا موجود بدقلقی است به‏‌‌‌‌‌ویژه اینکه هلیوم یک گاز نجیب است و تمایلی ندارد با سایر اتم‏‌‌‌‌‌ها ترکیب شود. با این حال در سال ۱۹۲۵، دانشمندان موفق شدند در آزمایشگاه کاری کنند که هلیوم رضایت دهد یکی از الکترون‏‌‌‌‌‌هایش را با یک یون هیدروژن به اشتراک بگذارد.

در اواخر دهه ۱۹۷۰ اخترشناسانی که درباره یک سحابی سیاره‏‌‌‌‌‌ای موسوم به NGC۷۰۲۷ پژوهش می‏‌‌‌‌‌کردند، به این فکر افتادند که محیط این سحابی می‏‌‌‌‌‌تواند برای شکل‏‌‌‌‌‌گیری هیدرید هلیوم مناسب باشد. در واقع تابش فرابنفش و گرمای ناشی از این ستاره در حال مرگ شرایطی را رقم می‏‌‌‌‌‌زند که امکان شکل‏‌‌‌‌‌گیری هیدرید هلیوم به وجود می‏‌‌‌‌‌آید. اما نخستین رصدهای اخترشناسان بی‏‌‌‌‌‌نتیجه ماند و با اینکه کوشش‏‌‌‌‌‌های بعدی حکایت از آن داشت که این مولکول اسرارآمیز می‏‌‌‌‌‌تواند در آن سحابی وجود داشته باشد اما HeH+ همچنان از تیررس تلسکوپ‏‌‌‌‌‌ها دور ماند. به گفته رالف گوئستن (R.Guesten)، پژوهشگر موسسه اخترشناسی رادیویی ماکس پلانک در آلمان، «فقدان شواهد وجود هیدرید هلیوم در فضای میان‏‌‌‌‌‌ستاره‏‌‌‌‌‌ای در چند دهه گذشته یکی از معماهای اخترشناسی بوده است.»

مشکل اساسی درواقع این بود که تلسکوپ‏‌‌‌‌‌های فضایی مورد استفاده برای یافتن این مولکول فاقد فناوری خاصی بودند که برای دستچین کردن سیگنال هیدرید هلیوم از میان ملغمه مولکول‏‌‌‌‌‌های جورواجور درون سحابی لازم است. سرانجام در سال ۲۰۱۶ دانشمندان دست به دامن «سوفیا» (SOFIA) شدند. «سوفیا» (رصدخانه استراتوسفری اخترشناسی فروسرخ) در واقع یک بوئینگ پهن‏‌‌‌‌‌پیکر ۷۴۷ که یک رصدخانه مجهز در آن نصب شده است. این هواپیما که تا ارتفاع بیش از ۱۳۷۰۰ اوج می‏‌‌‌‌‌گیرد، درست مثل تلسکوپ‏‌‌‌‌‌های فضایی به اخترشناسان اجازه می‏‌‌‌‌‌دهد از شر لایه‏‌‌‌‌‌های مزاحم اتمسفر خلاص شوند. اما مزیت سوفیا نسبت به همتایان فضایی‏‌‌‌‌‌اش این است که پس از هر بار رصد دوباره به زمین برمی‏‌‌‌‌‌گردد و پژوهشگران می‏‌‌‌‌‌توانند تجهیزات آن را مطابق نیازشان بهبود و ارتقا دهند.

نسیم رنگوالا (N.Rangwala)، دانشمند پروژه سوفیا که پروژه مشترک میان ناسا و مرکز هوافضای آلمان است، می‏‌‌‌‌‌گوید: «ما می‏‌‌‌‌‌توانیم ابزارها را تغییر دهیم و همواره آخرین فناروی‏‌‌‌‌‌ها را نصب کنیم. این انعطاف‏‌‌‌‌‌پذیری به ما اجازه می‏‌‌‌‌‌دهد رصدهای‏‌‌‌‌‌مان را بهبود دهیم و پاسخگوی پرسش‏‌‌‌‌‌های عاجلی باشیم که دانشمندان تشنه یافتن پاسخ‏‌‌‌‌‌شان هستند.»

ارتقای اخیری که در یکی از ابزارهای سوفیا موسوم به «گیرنده آلمانی فرکانس‏‌‌‌‌‌های تراهرتز» (GREAT) انجام شد، دقیقا همان کانال خاص لازم برای هیدرید هلیوم را به تلسکوپ اضافه کرد که در نسخه‏‌‌‌‌‌های پیشین وجود نداشت. این دستگاه عملا مثل یک گیرنده رادیویی کار می‏‌‌‌‌‌کند و دانشمندان برای پیدا کردن هر مولکول کافی است دستگاه را روی فرکانس همان مولکول تنظیم کنند، چیزی شبیه تنظیم رادیوی FM روی ایستگاهی که می‏‌‌‌‌‌خواهید گوش کنید. در شبی که سوفیا با تجهیزات جدیدش به پرواز درآمد دانشمندان مشتاق داخل هواپیما بودند و همان‏‌‌‌‌‌جا به صورت زنده داده‏‌‌‌‌‌های دریافتی را می‏‌‌‌‌‌خواندند. خیلی طول نکشید که سیگنال هیدرید هلیوم بسیار واضح و قوی ظاهر شد.

نمایش تماشایی ستاره در حال مرگ
چیزی حدود ۵ میلیارد سال دیگر، خورشید ما خواهد مرد. پس از تمام شدن سوخت هیدروژنش، خورشید در هسته گداخته‌اش شروع می‏‌‌‌‌‌کند به سوزاندن عناصر سنگین‏‌‌‌‌‌تر و سنگین‏‌‌‌‌‌تر. این فرآیند باعث نفخ شدید خورشید می‏‌‌‌‌‌شود و بادهای خورشیدی سهمگین مقادیر عظیمی از مواد و ذرات خورشیدی را به فضا پرتاب می‏‌‌‌‌‌کنند. در خلال این دوره خورشید ما به اندازه ۱۰۰ برابر اندازه کنونی‏‌‌‌‌‌اش انبساط می‏‌‌‌‌‌یابد و به چیزی تبدیل می‏‌‌‌‌‌شود که اخترشناسان آن را «غول سرخ» (Red Giant) می‏‌‌‌‌‌نامند. این انبساط شدید به حدی عظیم است که باعث می‏‌‌‌‌‌شود دو سیاره عطارد و زهره در خورشید جدید بلعیده شوند.

اینکه سیاره ما هم در دریایی از گاز و پلاسمای داغ غوطه‏‌‌‌‌‌رو شد یا از این غول سرخ جان به در ببرد هنوز روشن نیست اما آنچه قطعی است خورشید در هنگام مرگش پرونده حیات را در زمین برای همیشه خواهد بست. این تحولات هولناک خورشید در انتهای چرخه حیاتش جنبه دیگری نیز دارد که بسیار تماشایی است البته اگر از جای امنی در دوردست‏‌‌‌‌‌ها به نظاره بنشینید. انبساط شدید لایه‏‌‌‌‌‌های بیرونی خورشید پوسته‏‌‌‌‌‌ بسیار زیبایی از گاز غیرمتراکم را پدید می‏‌‌‌‌‌آورد که برای مدت کوتاهی چشم‏‌‌‌‌‌وچراغ آسمان در این گوشه از کهکشان راه‏‌‌‌‌‌شیری خواهد بود.

این پوسته تماشایی در واقع همان «سحابی سیاره‏‌‌‌‌‌نما» (Planetary Nebula) است که اخترشناسان موفق شدند در یکی از آنها نخستین مولکول جهان را پیدا کنند. هرچند گمان می‏‌‌‌‌‌رود چیزی حدود ۱۰ هزار سحابی سیاره‏‌‌‌‌‌نما در کهکشان ما وجود داشته باشد اما تنها ۱۵۰۰ تا از آنها رصد شده‏‌‌‌‌‌اند و مابقی احتمالا پشت غبار میان‏‌‌‌‌‌ستاره‏‌‌‌‌‌ای پنهان شده‏‌‌‌‌‌اند. سحابی سیاره‏‌‌‌‌‌نمایی که با مرگ خورشید پدید می‏‌‌‌‌‌آید پیش از آنکه در پهنه بی‏‌‌‌‌‌کران فضا منتشر و ناپدید شود چیزی در حد چند ده هزار سال دوام خواهد داشت. در این مدت، هسته کوچکی که از خورشید بجا مانده و جرم جدیدی است موسوم به «کوتوله سفید» (White Dwarf) بر لایه‏‌‌‌‌‌های بیرونی سحابی می‏‌‌‌‌‌تابد و منظره‏‌‌‌‌‌ای تماشایی به رنگ‏‌‌‌‌‌های آبی و سبز را خلق می‏‌‌‌‌‌کند.

اصطلاح «سحابی سیاره‏‌‌‌‌‌نما» در واقع اسم بی‏‌‌‌‌‌مسمایی است که توسط ویلیام هرشل (W.Herschel)، اخترشناس و آهنگ‏‌‌‌‌‌ساز بریتانیایی قرن ۱۸، ابداع شد. این سحابی‏‌‌‌‌‌ها هیچ ارتباطی به سیاره‏‌‌‌‌‌ها ندارند. هرشل پس از کشف سیاره اورانوس مجموعه رصدهای مفصلی را برای پیمایش عمیق آسمان آغاز کرد. با وجود محدودیت‏‌‌‌‌‌های تلسکوپ‏‌‌‌‌‌های ابتدایی‏‌‌‌‌‌اش، هرشل توانست ۲۴۰۰ جرم جدید را شناسایی کند که برای همه آنها از عنوان «سحابی» استفاده کرد. برخی از این سحابی‏‌‌‌‌‌ها شبیه به همان چیزی بود که هرشل از سیاره گازی فیروزه‏‌‌‌‌‌ای رنگ اورانوس در چشمی تلسکوپش دیده بود و به همین علت نام «سحابی سیاره‏‌‌‌‌‌نما» را برای آنها انتخاب کرد.

نخستین سحابی سیاره‏‌‌‌‌‌نما موسوم به «سحابی دمبل» در سال ۱۷۶۴ توسط شارل مسیه (C.Messier)، اخترشناس فرانسوی، کشف شد. مسیه در کاتالوگ اجرام اخترشناختی‏‌‌‌‌‌اش ۴ سحابی از این نوع را فهرست کرد. در سال ۱۷۹۰ هرشل سحابی سیاره‏‌‌‌‌‌نمای دیگری موسوم به NGC۱۵۱۴ را کشف کرد که ستاره درخشانی در مرکز آن قرار داشت. هرشل متوجه شد که این اجرام جدید از گاز و غبار ساخته شده‏‌‌‌‌‌اند و برخلاف تصور رایج آن زمان خوشه‏‌‌‌‌‌های ستاره‏‌‌‌‌‌ای نیستند. هرشل ۷۹ جرم را به عنوان سحابی سیاره‏‌‌‌‌‌نما فهرست کرد اما در نهایت به کمک رصدهای دقیق‏‌‌‌‌‌تر بعدی معلوم شد که تنها ۲۰ مورد از آنها واقعی بودند.

در سال‏‌‌‌‌‌های اخیر به کمک فناوری‏‌‌‌‌‌های پیشرفته تصاویر خیره‏‌‌‌‌‌کننده‏‌‌‌‌‌ای از سحابی‏‌‌‌‌‌های سیاره‏‌‌‌‌‌ای گرفته شد که جزئیات بی‏‌‌‌‌‌سابقه‏‌‌‌‌‌ای را نشان می‏‌‌‌‌‌دهند. ظاهرا برخلاف تصورات پیشین، لایه‏‌‌‌‌‌های گازی حاصل از پیدایش سحابی سیاره‏‌‌‌‌‌نما لزوما یکنواخت نخواهند بود. تصاویر حیرت‏‌‌‌‌‌انگیز تلسکوپ فضایی هابل حکایت از آن دارد که گستره‏‌‌‌‌‌ای وسیعی از احتمالات در انتظار ستاره ماست. اما به طور قطع می‏‌‌‌‌‌دانیم سرنوشت هر ستاره‏‌‌‌‌‌ای در حد و اندازه‏‌‌‌‌‌های خورشید (حداکثر تا ۸ برابر) تبدیل شدن به یک «سحابی سیاره‏‌‌‌‌‌ای»است.