10 دقیقه
چگونه یک «حادثه» کیهانی شیمی سیلیکون پنهان را فاش کرد
یک کوتوله قهوهای کمنور و باستانی که با لقب «The Accident» (به فارسی اغلب «حادثه») شناخته شده، اولین شناسایی واضح سیلان (SiH4) را در جو یک جسم بیرون از زمین به ارمغان آورد — مولکولی حاوی سیلیکون که از مدت‌ها پیش توسط مدلهای شیمی تعادلی پیش‌بینی شده بود اما در مشاهدات مشتری، زحل و بسیاری از غول‌های گازی دیگر بهصورت مستقیم مشاهده نشده بود. این کشف با تکیه بر طیف‌سنجی فروسرخ حساس تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) حاصل شد و دید جدیدی نسبت به چگونگی رفتار سیلیکون در جوهای کم‌دما و غنی از هیدروژن فراهم میکند.
این تصویر مفهومی هنری یک کوتولهٔ قهوهای را نشان میدهد — جسمی بزرگ‌تر از یک سیاره اما به‌اندازه‌ای کم‌جرم که در هسته‌اش همجوشی هسته‌ای ایجاد نمی‌شود تا مانند یک ستاره نورآسا بماند. کوتولههای قهوهای هنگام شکل‌گیری گرم هستند و ممکن است مانند تصویری که می‌بینید نورانی به‌نظر بیایند، اما با گذشت زمان سردتر می‌شوند و دمای سطح‌شان به محدوده‌ای نزدیک به سیاره‌های غول‌پیکر مانند مشتری نزدیک میشود. این سرد شدن تدریجی باعث میشود ترکیب جو و فرایندهای تراکم و چگالشِ موادِ سیلیکاتی و هیدروژنه بهصورت متفاوتی تکامل یابد که برای درک شیمی سیارات ضروری است.
کشف: علم شهروندی، NEOWISE و طیف‌سنجی وب
«The Accident» نخستین‌بار در سال 2020 توسط یک داوطلب پروژهٔ علوم شهروندی Backyard Worlds: Planet 9 شناسایی شد که با بررسی داده‌های آرشیوی رصدخانهٔ فروسرخ NEOWISE به این شیء مشکوک شده بود. این جسم، یک کوتولهٔ قهوهای است: به‌اندازه‌ای کوچک که نمی‌تواند همجوشی هسته‌ای پایدار را در هسته‌اش نگه دارد، اما در دورهٔ شکل‌گیریش به‌اندازه‌ای گرم و پرجرم بوده که در ساختار اتمسفری نزدیکی‌هایی به غول‌های گازی دارد. فاصلهٔ آن حدوداً 50 سال نوری تخمین زده شده و سن تقریبی آن در حدود 10 تا 12 میلیارد سال اعلام شده است؛ بنابراین دارای قدمتی کیهانی است که آن را میان کهن‌ترین اعضای ساکن در همسایگی خورشیدی قرار میدهد. آنچه این کوتوله را متمایز می‌کرد ترکیب طیفی‌اش بود که ویژگی‌هایی را ترکیب می‌کرد—ویژگی‌هایی که معمولاً به کوتولههای جوان یا کهن نسبت داده می‌شوند—و همین تناقض سبب شد تا توجه محققان را جلب کند.
از آنجا که این جسم بسیار کمنور و از نظر شیمیایی غیرمعمول بود، تجزیه و تحلیل دقیقتر ترکیب جو تنها با طیف‌سنجی فروسرخ بسیار حساس تلسکوپ جیمز وب امکان‌پذیر شد. گروه پژوهشی با استفاده از داده‌های طیفی JWST توانستند اجزای فروسرخ را جدا کرده و وجود باندهای مشخصی را که به سیلان نسبت داده میشود، شناسایی کنند. نتایج این پژوهش در مقاله‌ای که در تاریخ 4 سپتامبر در نشریهٔ Nature منتشر شد گزارش شد. سیلان، مولکولی ساده متشکل از سیلیکون متصل به چهار اتم هیدروژن (SiH4) است و مدلهای تعادل شیمیایی مدت‌هاست پیش‌بینی کرده‌اند که در جوهای خنک و غالب بر هیدروژن قابل ظاهر شدن است، اما تا پیش از این شواهد قطعی مشاهده‌ای از آن در محیط‌های خارج از زمین در دست نبود.
همان‌طور که در این گرافیک نشان داده شده است، کوتولههای قهوهای می‌توانند بسیار پرجرم‌تر از حتی بزرگ‌ترین سیاره‌های گازی مانند مشتری و زحل باشند. با این حال، معمولاً فاقد جرمی هستند که منجر به آغاز همجوشی هسته‌ای پایدار در هسته ستارگان شود؛ بنابراین آن‌طور که ستارگان می‌درخشند نمی‌درخشند. این محدودهٔ جرم و دما باعث میشود کوتولههای قهوهای نقش آزمایشگاهی ویژه‌ای در مطالعهٔ شیمی جو و فرایندهای چگالش مواد ایفا کنند، زیرا اغلب بدون تابش مزاحم یک ستارهٔ روشن اطراف‌شان هستند و می‌توان طیف آن‌ها را با نویز کمتر بررسی کرد.
چرا سیلان در سیارات غول‌پیکر کمتر دیده میشود
اگرچه سیلیکون از نظر فراوانی یک عنصر رایج در کیهان است، در شرایط جوهای سیاره‌ای معمولاً تمایل دارد با اکسیژن ترکیب شده و به صورت کانی‌ها و اکسیدها مانند سیلیکاتها و کوارتز درآید — موادی که اساساً به صورت ابرها و چگالش‌ها (condensates) در جو ظاهر می‌شوند. در سیارات گازی داغ‌تر، ابرهای سیلیکاتی در لایههای بالایی جو شکل می‌گیرند؛ اما در دنیاهای سردتر مانند مشتری و زحل، این چگالش‌ها پیش‌بینی میشود که به لایههای عمیقتر فرو روند و زیر لایههای آب و آمونیاک مدفون شوند، که در نتیجه شیمی سیلیکون از دید رصدگر راه دور پنهان می‌ماند. به عبارت دیگر، سیلیکون در بسیاری از محیطها تحت اثر اکسیژن «قفل» میشود و به صورت گازهای هیدروژنهٔ سبک مانند SiH4 ظاهر نمی‌گردد.
یکی دیگر از پیش‌بینی‌های مدلهای شیمی تعادلی این است که در صورت کمبود اکسیژن نسبی، بخش بیشتری از سیلیکون برای تشکیل گونههای هیدروژنهٔ سبک‌تر در دسترس خواهد بود. تیم پژوهشی پیشنهاد میکند که «The Accident» ممکن است در دوره‌ای شکل گرفته باشد که محیط میان‌ستاره‌ای از اکسیژن نسبتاً فقیرتری نسبت به اجرامی که بعدها شکل گرفتند برخوردار بوده است. با کمتر بودن اکسیژن برای گرفتنِ سیلیکون در ترکیبات اکسیدی، مقدار بیشتری از سیلیکون میتواند با هیدروژن ترکیب شده و سیلان قابل تشخیص ایجاد کند. این سناریو نشان میدهد که ترکیب عناصر اولیه (نسبتهای اتمی عناصر سبک و سنگین) نقش کلیدی در تعیین مسیر شیمیایی و شکل‌گیری گونههای مولکولی قابل رصد دارد.
پیامدها برای شیمی سیاره‌ای و سیارات فراخورشیدی
شناسایی سیلان در این کوتولهٔ قهوهای باستانی تأیید میکند که سیلیکون میتواند تحت شرایط مناسب فراوانی عناصر و دما به شکل گازی هیدروژنه وجود داشته باشد. این یافته کمک میکند تا توضیح دهیم چرا سیلان تاکنون در طیفهای مشتری، زحل، برخی کوتولههای قهوهای دیگر و بسیاری از سیارات فراخورشیدی مشاهده نشده بود: در محیط‌هایی که اکسیژن نسبی بالاتری دارند، شیمی اکسیژن غالب میشود و سیلیکون را به ترکیبات چگال و کانی‌ها می‌بندد که در لایههای عمیقتر جو پنهان می‌مانند. بنابراین وجود یا نبود سیلان میتواند شاخصی از فراوانی نسبی اکسیژن و شرایط حرارتی یک جو باشد.
همچنین این کشف نشان میدهد که مطالعهٔ کوتولههای قهوهای که اغلب ساده‌تر و «پاک‌تر» از لحاظ تابش زمینه‌ای هستند، میتواند مدلهای شیمیایی مورد استفاده برای تفسیر طیفهای سیارات فراخورشیدی را بهبود دهد. تحلیل دقیق طیف‌ها و شناسایی گونه‌هایی مثل SiH4 به مدل‌سازی تعادل شیمیایی، انتقال تابش و فرایندهای انتقال مواد (مانند بارش ذرات و رسوب کانی‌ها) کمک میکند، و این اطلاعات نهایتاً در تحلیل داده‌های آینده برای تشخیص نوع بستر شیمیایی و ترکیبات جو در سیارات فراخورشیدی تأثیرگذار خواهد بود. به‌عنوان مثال، در جستجوی نشانگرهای زیست‌پذیری یا واکنش‌های پیش‌زیستی، دانستن اینکه کدام عناصر به صورت گازی، کانی یا رسوبی قرار دارند، برای تفسیر نتایج طیف‌سنجی بسیار حیاتی است.
فاهرتی (Faherty) از موزهٔ تاریخ طبیعی آمریکا که سرپرست این پژوهش بود، می‌گوید: «گاهی اوقات همین اجرام افراطی هستند که به ما کمک می‌کنند تا پدیده‌های رایج‌تر را بهتر درک کنیم.» پیتر آیزن‌هاردت (Peter Eisenhardt) از آزمایشگاه پیشرانش جت (JPL) و دانشمند پروژهٔ WISE افزود: «ما با این مشاهدات به‌دنبال حل معمای مشتری و زحل نبودیم... می‌خواستیم بفهمیم چرا این کوتوله قهوهای تا این حد عجیب است، ولی انتظار کشف سیلان را نداشتیم. کیهان همواره ما را شگفت‌زده میکند.» این جملات نشان میدهد که علم گاهی از مسیرهای غیرمنتظره به نتایج بنیادی می‌رسد و ترکیب داده‌های آرشیوی، مشارکت عموم و ابزارهای مدرن مانند JWST یک زنجیرهٔ موفقیت‌آمیز ایجاد میکند.
این یافته اهمیت ترکیب رصدهای گستردهٔ فروسرخ، پروژه‌های علم شهروندی و پیگیری طیفی با تلسکوپ‌های قدرتمند را برجسته می‌سازد. کوتولههای قهوهای که معمولاً همراه ستارهٔ درخشانی نیستند، آزمایشگاه‌های به نسبت پاک‌تری برای مطالعهٔ شیمی جو فراهم می‌آورند؛ اطلاعات به‌دست‌آمده از این اجرام میتواند مدل‌هایی را که برای سیارات فراخورشیدی و در نهایت برای تفسیر طیفهای جهان‌های سنگی قابل سکونت به‌کار می‌رود، غنی‌تر کند. به‌علاوه، فهم بهتر نحوهٔ توزیع سیلیکون میان اشکال گازی و کانی در جوها میتواند کمک کند تا با اطمینان بیشتری نتایج جستجوی ترکیبات فرّار و غیرفرّار را در طیفهای آینده تفسیر کنیم.
نتیجه‌گیری
کشف سیلان در «The Accident» تأییدی هدفمند بر این نکته است که وفور نسبی عناصر (به‌ویژه اکسیژن) و ساختار دمایی جو، نقش تعیین‌کننده‌ای در شیمی سیلیکون در اتمسفرهای غول‌پیکر ایفا می‌کنند. با ادامهٔ کار JWST و مأموریت‌های آینده که دامنهٔ نمونه‌های اتمسفری مشخص‌شده را گسترش می‌دهند، تصویر رصدیِ سیلیکون، سیلیکاتها و شیمی فرّارها به‌تدریج کامل‌تر خواهد شد — و این پیشرفت به درک بهتر ما از هر دو دستهٔ سیارات در منظومهٔ خورشیدی و فهرست رو به رشد سیارات فراخورشیدی کمک میکند. در عمل، ترکیب داده‌های طیفی با مدلهای شیمی و فیزیک جو، شواهدی را فراهم میکند که میتواند نحوهٔ شکل‌گیری ابرها، چگونگی رسوب‌گذاری مواد و تأثیر کمبود یا افزونگی عناصر اصلی را بر گونههای مولکولی نشان دهد.
به‌طور خلاصه، این کشف نه تنها یک مورد نادر از شناسایی مستقیم یک مولکول سیلیکونی هیدروژنه در فضای خارج از زمین است، بلکه چارچوبی تجربی فراهم می‌سازد تا بازنگری‌هایی در مدلهای شیمیاییِ مورد استفاده برای تفسیر طیف‌ها انجام شود. همان‌گونه که نمونه‌های بیشتری با JWST و دیگر تلسکوپ‌های پیشرفته بررسی می‌شوند، انتظار می‌رود بدانیم در چه شرایطی سیلیکون به صورت گازی پایدار می‌ماند، چه زمانی به سیلیکاتها و اکسیدها تبدیل میشود، و چگونه این فرایندها بر شکل‌گیری ساختارهای ابری و انتقال عناصر در اتمسفرها اثر می‌گذارند. این دانش در نهایت به ما کمک میکند تا بینش عمیق‌تری نسبت به تکامل شیمیایی جوها از کوتولههای قهوهای تا غول‌های گازی و سیارات زمینی حاصل کنیم.
منبع: scitechdaily
نظرات