مولکولی که عالم را ساخت

محققان دانشگاه آریزونا در مطالعه ای که نظریه ی مکانیک کوانتومی و قابلیت های تحقیقاتی اش را به چالش کشیده، شیوه ای برای شناختن مولکولی یافته اند که احتمالاً عالم - یا دست کم بخش داغ و آتشین آن - را ساخته است. مطالعه ی منشأ و تحول عالم در درک چگونگی شکل گیری نخستین ستاره ها و سیاره ها مفید خواهد بود و ممکن است در جست و جو به دنبال منظومه های ستاره ای سکونت پذیر دیگر به بهترین شکل عمل کند.
این مولکول ساده، موسوم به یون هیدروژن سه اتمی یا تری هیدروژن کاتیون ، که در منطقه ی سرد میان ستاره ها یافت می شود، ممکن است راز شکل گیری نخستین ستاره ها پس از انفجار بزرگ را در خود داشته باشد.
میشل پاوانِلو، از دانشگاه آریزونا، ماه ها زمان صرف کرد و با انجام محاسبات پیچیده و پُر دردسر برای یافتن روشی برای تشخیص یون هیدروژن سه اتمی و آشکار سازی نقش مؤثر آن در اختر شناسی و طیف سنجی تلاش کرد. در جریان این پژوهش لودویک آداموویچ، استاد بخش شیمی و زیست شیمی دانشگاه آریزونا، نظارت و رسیدگی بر تحقیق او را بر عهده داشت. نتایج حیرت انگیز این پژوهش در تازه ترین شماره ی نشریه ی فیزیکال ریویولِتِرز منتشر شده است.
آداموویچ درباره ی این بررسی می گوید: « بیشتر عالم متشکل از هیدروژن به شکل های مختلف است. اما یون هیدروژن سه اتمی رایج ترین یون مولکولی در فضای میان ستاره ای و همچنین یکی از مهم ترین مولکول های موجود در عالم هستی است. این مولکول، که فکر می کنیم در نخستین روزهای عالم در فرایند شکل گیری ستاره ها نقش مهمی داشته، همچنین نوعی پیش ماده برای بسیاری از انواع واکنش های شیمیایی از قبیل آن هایی است که منجر به ترکیباتی ضروری برای حیات- مانند آب و کربن – می شوند.»
به گفته ی پاوانلو، نخستین ستاره ها پس ازشکل گیری عالم به حدی داغ می شدند که حتی گاهی پیش از شکل گیری منفجر می شدند، مگر این که راهی برای آزاد سازی مقداری از این انرژی زیادی درون شان پیدا می شد. در چنان شرایطی اگر مولکول هایی وجود نداشتند که ستاره های در حال شکل گیری را به آهستگی با تابش نور سرد کنند، شکل گیری هیچ ستاره ای میسر نبود. مولکول های چندانی قادر به انجام دادن این امر مهم نبودند، به این علت که مولکول های بسیار اندکی در نخستین روزهای شکل گیری عالم وجود داشتند. اختر شناسان تصور می کنند تنها مولکولی که در آن دوره ی زمانی خاص می توانسته ستاره های درحال شکل گیری را سرد کند، یون هیدروژن سه اتمی بوده است.
مولکول دیگری که در آن زمان وجود داشت، هیدروژن مولکولی بود. اما این مولکول وضعیت بسیار دشوارتری نسبت به می تواند حین خَمِش و نوسان از خود نور تابش کند.»
مولکولی با بار الکتریکی است که به آن یون می گوییم. این مولکول از سه اتم هیدروژن با فقط دو الکترون به اشتراک گذاشته شده تشکیل شده است. فقدان یک بار منفی الکترون، موجب شده است که مولکول یک بار مثبت بگیرد.
آداموویچ می گوید: « مولکول شکلی مثلثی دارد و به محض بر انگیخته شدن شروع به ارتعاش و نوسان در مسیرهای مختلف می کند. ما مجبوریم حجم بسیاری از محاسبات در سطح مکانیک کوانتومی انجام بدهیم تا آن ارتعاشات را پیش بینی کنیم. نقش این نظریه در اصل شبیه سازی این نوسانات در کامپیوتر و سپس توصیف چگونگی حرکت نوسانی یا رقص آن است.»
درک ارتعاشات گوناگون می تواند به اخترشناسان در استنباط این که این مولکول تا چه اندازه در شکل گیری نخستین ستاره ها نقش داشته کمک کند.
در دهه ی 1370/ 1990، مولکول را در اطراف ستاره ها رصد کردیم. این ستاره ها از خود تابش هایی گسیل می کردند که نه تنها در تولید مشارکت داشتند بلکه این مولکول را به سطح بالاتری از انرژی نیز بر می انگیختند. همچنین این مولکول می تواند به کمک بقایای انرژی حاصل از واکنش هایی شیمیایی که درگیرشان بوده یا انرژی ای که بر اثر برخورد با دیگر مولکول ها تولید شده است، به صورت برانگیخته باقی بماند. وقتی این مولکول از حالت برانگیختگی خارج می شود، پرتوهایی تابش می کند که آن ها را با تلکسوپ های رادیویی شناسایی کرده ایم.
پاوانِلو می گوید: « مولکول وظیفه ی بسیار مهم سرد کردن نخستین ستاره ها پس از انفجار بزرگ را عهده دار بوده است. تنها روشی که ما را قادر به پیش بینی چگونگی شکل گیری ستاره ها می کند این است که به خوبی به توانایی خنک سازی واقف شویم و این در گرو شناخت طیف ارتعاشی آن است، ما باید بدانیم که این سطوح انرژی چه هستند.»
پاوانِلو با چنین فرضی یک کُد کامپیوتری برای آزمایش نوشت. محققان این کد را وارد اَبَر کامپیوتر محاسبات دانشگاه آریزونا کردند تا نوسان های را بنابر قوانین مکانیک کوانتومی توصیف کند. بسته به سطوح تقریب شناخته شده در این کد، محققان می توانند نرم افزاری ایجاد کنند که حرکت مولکول های کوچک را بسیار خوب یا مولکول های بزرگ را بسیار تقریبی شرح بدهد.
اگر تلسکوپی را به آسمان نشانه برویم، شاهد خطوط طیفی هستیم که به طور ویژه متعلق به یک مولکول یا اتم معین اند. مولکول های متفاوت در طول موج های گوناگون پرتو تابش می کنند، که منجر به ایجاد خطوط طیفی مختلفی می شود که به اخترشناسان اجازه می دهد ترکیب شیمیایی ستاره ها را تعیین کنند. به این ترتیب هر چه تلسکوپ ها دقیق تر و پیشرفته تر باشند، خطوط طیفی بیشتری را می بینیم.
همکاری گروه دانشگاه آریزونا برای نخستین بار به محققان اجازه داد که در زمان آزاد سازی فوتون از یون ها با طول موج های نزدیک به مرئی، خطوط طیفی را به انواع خاص حرکات ارتعاشی نسبت بدهند. این طول موج ها در ایجاد رنگ پرتوهای نور که از فضای میان ستاره ای به سمت ما می آیند مشارکت دارند.
نتایج به دست آمده در بررسی گروه دانشگاه آریزونا با مطالعات محققانی از مجارستان، فرانسه، لندن و روسیه اثبات شد و همچنین مؤسسه ی ماکس پلانک آلمان که مولکول را در آزمایشگاه ایجاد و تأیید کرد که خطوط طیفی آن با پیش بینی ها مطابقت دارند.
شناخت سطوح ارتعاشی، و به این ترتیب خطوط طیفی ، به اختر شناسان و اختر شیمی دانان امکان خواهد داد تا به تفکیک حجم بالای خطوط طیفی بپردازند. و ترکیبات اصلی اجرام فضایی را شناسایی کنند.
پاوانِلو می گوید: «این، همچنین به دانشمندان امکان می دهد که توانایی خنک سازی را پیش بینی و سناریوی محتمل را نظریه پردازی کنند؛ که چطور نسل اول ستاره ها پس از انفجار بزرگ شکل گرفت. حالا ما تکه ی مهمی از پازلی را داریم که باید روی مدلی قابل اطمینان از شکل گیری نخستین ستاره سوار شود.»

برگرفته از : WWW.astrobio.net
منبع: نشریه نجوم شماره 217