5 دقیقه
بازگشت به تاریخ کیهان: بازسازی شیمی نخستین جهان
برای نخستین بار، پژوهشگران موفق شدند واکنشهای شیمیایی که اولین مولکول‌های عالم را بلافاصله پس از مهبانگ پدید آوردند، شبیهسازی کنند. گروهی بین‌المللی به سرپرستی فیزیک‌دانان مؤسسه ماکس پلانک برای فیزیک هسته‌ای (MPIK) در آلمان، این فرآیندهای بنیادی را در آزمایشگاه و با دقت بسیار بالایی بازسازی کردند. این اقدام، چشم‌اندازهای تازهای درباره شیمی بنیادینی که به پیدایش ستارگان و حتی زندگی منتهی شد، پیش روی دانشمندان قرار داده است.
پس‌زمینه علمی: از مهبانگ تا شکلگیری مولکولها
تقریباً ۱۳.۸ میلیارد سال پیش، کیهان نوزاد به صورت پلاسمایی فوق‌العاده داغ و متراکم سرشار از ذرات بنیادین وجود داشت اما هنوز هیچ اتم پایداری شکل نگرفته بود. نزدیک به ۳۸۰ هزار سال لازم بود تا این داغی اولیه کاهش یابد و پروتون‌ها و الکترون‌ها بتوانند هسته‌های اتمی ساده را بسازند. در طی این دوران دگرگون‌کننده، هیدروژن به عنصر غالب کیهان بدل شد، سپس هلیوم و مقادیر اندکی لیتیوم نیز شکل گرفتند؛ عناصری که تا امروز در دگرگونی‌های کیهانی نقشی اساسی دارند.
اما آنچه این تحول را ممکن ساخت، پدید آمدن یون هیدرید هلیوم (HeH+) بود؛ مولکولی متشکل از یک اتم هلیوم خنثی که به یک اتم هیدروژن یونیزه متصل است. عقیده بر این است که این مولکول در خنک‌شدن و سیر تکاملی منتهی به مولکول هیدروژن (H2) که فراوان‌ترین مولکول کیهان و ماده خام تشکیل ستاره‌هاست، نقشی کلیدی ایفا کرده است.
نقش یون هیدرید هلیوم (HeH+) در ساخت ستاره‌های آغازین
HeH+ از دید اخترشناسان و شیمی‌دانان نجومی اهمیتی ویژه دارد، زیرا ساختار منحصربه‌فردش موجب جدایش بار الکتریکی شدیدی می‌شود. این ویژگی به ویژه در مجاورت میدان‌های الکتریکی کیهانی باعث شد این مولکول انرژی خود را به شکل بسیار مؤثری تشعشع کند و گاز آغازین کیهانی به خوبی سرد گردد. این فرآیند، بستر را برای فشرده‌شدن ابرهای مولکولی و شکلگیری مناطق ستاره‌زا فراهم آورد.
در نبود HeH+، کیهان اولیه شاید هرگز خنک نمی‌شد تا هسته‌های متراکم تشکیل شوند و روند زایش ستاره‌ها و کهکشانها به تعویق می‌افتاد.
شبیهسازی کیهان نوبنیاد: آزمایش حلقه ذخیرهسازی سرمازا
برای بازسازی شرایط کیهان نوزاد، تیم پژوهشی MPIK از حلقه ذخیرهسازی سرمازای پیشرفته‌ای بهره گرفت. این آزمایشگاه، شرایط دمایی نزدیک به صفر مطلق (حدود منفی ۲۶۷ درجه سانتی‌گراد) و خلاء تقریبا کامل را فراهم میکند، تا حد زیادی شبیه به خلاء میانستارهای.
در این محیط، دانشمندان به بررسی واکنشهای یون هیدرید هلیوم با دوتریم (ایزوتوپ سنگین‌تر هیدروژن با یک نوترون اضافی) پرداختند. آن‌ها با کنترل دقیق پرتوهای HeH+ و دوتریم خنثی، برخوردهای منتهی به تولید اتم هلیوم خنثی و یون هیدروژن-دوتریم (HD+) را رصد کردند؛ میانجی‌هایی که نقشی مهم در تحولات اولیه کیهان دارند.
برای فهم عمیق‌تر، پژوهشگران انرژی برخورد (معادل دما) را تغییر دادند تا بتوانند میزان کارایی این واکنش‌ها را در سرمای فضا آزمایش کنند.
یافته‌های کلیدی و پیامدهای اخترفیزیکی
برخلاف پیش‌بینی‌های نظری گذشته، نتایج این پژوهش نشان داد کارآمدی واکنش HeH+ حتی با کاهش دما افت نمی‌کند؛ کشفی که اهمیت زیادی دارد. این بدین معناست که این مولکول در تمام مراحل سرد شدن کیهان نقش تاثیرگذاری داشته و همواره در فراهم‌آوردن شرایط شیمیایی لازم برای شکلگیری هیدروژن مولکولی و در پی آن ستارگان نخستین، موثر بوده است.
هولگر کرکل، فیزیک‌دان مؤسسه ماکس پلانک، تصریح کرد: «مدلهای قدیمی‌تر انتظار افت شدید سرعت واکنش در دماهای پایین را داشتند، اما یافته‌های ما و محاسبات دقیق‌تر این را رد میکند. گویا اثر HeH+ در واکنش با هیدروژن و دوتریم در شیمی ابتدایی کیهان بسیار بیشتر از آنچه قبلا تصور میشد بوده است.»
این نتایج تجربی پیشگام، ضمن تأیید نظریه‌های کهن درباره مولکول‌های اولیه، حتی مدلی جدید برای دگرگونی واکنشهای کلیدی کیهان با توجه به دما ارائه می‌دهد. درک عمیق‌تر این روندها، برداشت ما از تولد ستارگان، دگرگونی‌های شیمیایی میان‌کهکشانی و تکامل ساختارهای کیهانی را بنیادین‌تر میکند.
افق‌های نوین شیمی آزمایشگاهی کیهان
امکان بازسازی شرایط آغازین کیهان در آزمایشگاه، نقطه عطفی بزرگ در اخترفیزیک و شیمی نجومی محسوب می‌شود. دستاوردهای این پژوهش راهی تازه به‌سوی اکتشاف‌های عمیق‌تر درباره جهان مولکولی میگشاید و فرصت شناخت بهتر چگونگی پدیدآمدن ساختارهای کیهانی، از کوچک‌ترین مولکول تا کهکشان‌های عظیم را پس از مهبانگ فراهم میکند.
با ادامه بررسی واکنشهای بنیادین در شرایط افراطی، می‌توان انتظار داشت تصویر ما از فرآیندهای شیمیایی حاکم بر کیهان کامل‌تر شود و حتی چشم‌انداز جست‌وجوی مولکول‌های پیچیدهتر یا نشانه‌هایی از حیات فرازمینی پررنگ‌تر گردد.
جمع‌بندی
بازسازی واکنشهای آغازین شیمیایی جهان در شرایط شبیه‌سازی‌شده، نور تازهای بر ریشه‌های تولید هیدروژن مولکولی و آغاز زایش ستاره‌ها انداخته است. اکنون نقش حیاتی یون هیدرید هلیوم (HeH+) روشن‌تر از هر زمان دیگری است و به‌عنوان عاملی کلیدی در تکامل کیهان تثبیت شده است. این موفقیت علمی افزون‌بر رفع برخی ابهامات دیرین درباره شیمی ابتدایی عالم، زمینه را برای مطالعات آینده درباره بنیان‌های مولکولی میراث کیهانی ما فراهم می‌آورد.
منبع: aanda
.avif)
نظرات