10 دقیقه
تصور کنید یک حلقهٔ اتمی به اندازهٔ یک مکعب شکر، در سرمای مطلق و تاریکی شکل گرفته و درون ابر مولکولی سرگردان است که روزی ستارگان را خواهد زایید. این تصویر دیگر چندان خیالی نیست: ستارهشناسان مولکولی به نام تیوپین، یک حلقهٔ ششعضوی حاوی گوگرد (2,5‑cyclohexadiene‑1‑thione, C6H6S)، را در ابر میانستارهای نزدیک مرکز راه شیری شناسایی کردهاند.
دانشمندان مؤسسهٔ ماکس پلانک برای فیزیک فرازمینی (MPE) و مرکز اخترزیستشناسی CSIC‑INTA (CAB) به بررسی یک ابر مولکولی چگال به نام G+0.693–0.027 پرداختند که در حدود 27,000 سال نوری فاصله دارد. یافتهٔ آنها فهرست شیمیایی مناطقی را که در نهایت سامانههای سیارهای را میسازند تغییر میدهد: یک ترکیب حلقهای گوگردی شامل 13 اتم که قبلاً در فضا دیده نشده بود.
دانشمندان نخستین مولکول حلقهای ششعضوی حامل گوگرد را در یک ابر میانستارهای کشف کردند.
اكتشاف و تشخیص
چطور میتوان ثابت کرد موجودیتی به این کوچکی در فاصلههای هزاران سال نوری وجود دارد؟ ابتدا آن را روی زمین میسازید. در آزمایشگاه، پژوهشگران تیوفنول مایع (C6H5SH) را در معرض تخلیهٔ الکتریکی هزار ولتی قرار دادند و مجموعهای از محصولات واکنشی را تولید کردند. یک طیفسنج اختصاصی سپس اثر انگشت فرکانس رادیویی منحصربهفرد تیوپین را میان آن محصولات اندازهگیری کرد. جملهٔ کوتاه. نتیجهٔ روشن.
مسلح به آن اثر انگشت طیفسنجی، اخترشناسان دادههای رادیویی تلسکوپهای 30 متر IRAM و 40 متر یِبِس در اسپانیا را جستوجو کردند. تطابق موجود بود: خطوط تابشی در ابر مولکولی که با طیف آزمایشگاهی همراستا شد. آن تطابق حکم «دودِ تفنگ» را دارد — مولکولی که نه با نور مرئی بلکه از طریق نحوهٔ لرزش امواج رادیویی شناسایی شده است.
تا کنون، شیمی گوگرد میانستارهای محدود به گونههای نسبتاً کوچک بود — مولکولهایی با شش اتم یا کمتر — در حالی که نمونههای شهابنگارها و دنبالهدارها نشاندهندهٔ آلیهای گوگرددار غنیتری هستند. تیوپین آن شکاف را پر میکند. از نظر ساختاری، شباهتهایی با ترکیباتی دارد که در مواد اولیهٔ منظومهٔ شمسی یافت شدهاند و این نشان میدهد که آلیهای پیچیده ممکن است بسیار پیش از شکلگیری ستارگان و سیارات ایجاد شوند.
نمود هنری از آب در قرص شکلگیری سیاره اطراف ستارهٔ V883 Orionis
چرا این کشف اهمیت دارد
چرا باید به یک مولکول اهمیت داد؟ چون شیمی نوعی گفتوگو است. هر گونهٔ جدیدی که در فضا کشف میشود نحو این گفتوگو را تغییر میدهد و نظریهها دربارهٔ چگونگی گردآمدن بلوکهای سازندهٔ حیات را به جلو هل میدهد. اگر یک مولکول حلقهای گوگردی میتواند در یک ابر سرد و بدون ستاره وجود داشته باشد، آنگاه پیشمادههای شیمیایی مرتبط با زیستشناسی زودتر و در گسترهٔ وسیعتری حاضرند تا آنچه بسیاری از مدلها پیشبینی میکنند.
مولف ارشد، میتسونوری آراکی، و همکارانش این کشف را اولین شناسایی بیابهام یک حلقهٔ پیچیدهٔ حامل گوگرد در میانستارهای میدانند. همنویسندهٔ دیگر، والریو لاتانزی، اشاره میکند که مولکولی شبیه به آنچه در دنبالهدارها دیده شده، در یک ابر جوان و بدون ستاره نیز وجود دارد — زیربنای شیمیایی که قبل از شکلگیری ستارگان آماده شده است.
یک الگوی بزرگتر پدیدار میشود. مطالعات آزمایشگاهی و رصدی اخیر — از جمله آزمایشهایی که نشان میدهد پپتیدها میتوانند بهصورت خودبهخودی تحت شرایطی شبیه فضا شکل بگیرند — نشان میدهند که شیمی پیشزیستی یک مورد نادر و استثنائی نیست. ممکن است در تار و پود ابرهای مولکولی تنیده شده باشد و بعدها از طریق دنبالهدارها و شهابسنگها به جهانهای در حال شکلگیری تحویل داده شود.
گامهای بعدی بلافاصله مفهومپذیر ولی اجرائاً دشوارند: جستوجوی حلقههای گوگردی بیشتر در ابرهای مولکولی غنی و گسترش طیفسنجی آزمایشگاهی برای پوشش همتایان محتمل تیوپین. اگر آن جستوجوها موفق شوند، فهرست مواد آلی میانستارهای ما گسترش خواهد یافت و به تبع آن درک ما از نحوهٔ انتقال مواد اولیهٔ حیات از فضا به سیارات رشد خواهد کرد.
اینگونه کشفیات همهٔ پرسشها را پاسخ نمیدهند؛ بلکه پرسشهای جدیدی مطرح میکنند. مولکولهای پیچیدهٔ گوگردی در چه جاهای دیگری پنهاناند؟ و چه تعداد گام دیگر بین گازهای سادهٔ میانستارهای و شیمیای که زیستپذیری را شعلهور میکند وجود دارد؟ شکار تازه آغاز شده است.
جزئیات فنی و روشهای تحلیلی
در سطح فنیتر، تشخیص تیوپین مبتنی بر شناسایی گذارهای چرخشی مشخص در ناحیهٔ میلیمتری و سنتیمتری طیف رادیویی است. طیفسنجی رادیوییِ مولکولی به ما اجازه میدهد تا انرژی چرخشی و ارتعاشی مولکولها را ثبت کنیم؛ هر مولکول «خطهای» منحصر به فردی تولید میکند که مانند اثر انگشت عمل میکند. تیم پژوهشی با تولید تیوپین در شرایط کنترلی و ثبت دقیق فرکانسهای گذار، توانست یک کتابخانهٔ مرجع ایجاد کند و سپس به دادههای آرشیوی و رصدی تلسکوپهای بزرگ مراجعه کند.
استفاده از تلسکوپهای IRAM و یبِس مزیت وضوح طیفی و حساسیت بالا را فراهم کرد. این امکانات رصدی، همراه با مدلسازی طیفسنجی مولکولی و شبیهسازیهای شیمیای میانستارهای، امکان تفکیک خطوط مولکولی از زمینهٔ شلوغ ابرهای مرکزی راه شیری را میسر ساخت. چنین تحلیلهایی معمولاً شامل برآورد دمای چرخشی، چگالی مولکولی و فراوانی نسبی در مقیاسهای نجومی میشوند.
علاوه بر این، پژوهشگران باید احتمال تداخل خطوط از مولکولهای دیگر را نیز بررسی میکردند. در محیطهایی مانند G+0.693–0.027 که طیف بسیار پرخطی دارند، تفکیک یک مولکول جدید نیازمند بررسیهای آماری و تطبیق دقیق با طیفهای آزمایشگاهی است تا از خطاهای احتمالی جلوگیری شود.
زمینهٔ شیمیایی: جایگاه گوگرد در میانستارهای
گوگرد عنصر مهمی در شیمی آلی و بیولوژیکی است؛ از آمینو اسیدها مانند سیستئین و متیونین تا مولکولهای فعال زیستی متنوع، نقش اساسی دارد. در مطالعات شهابسنگها و نمونههای دنبالهدار، ترکیبات گوگرددار پیچیدهتری نسبت به آنچه در ابرهای میانستارهای رصدی یافت شده بود دیده شدهاند. این تناقض بین دادههای نجومی و نمونههای سیارهای-سیارکی انگیزهای برای جستوجوی گونههای پیچیدهتر در فضا بود.
تیوپین، بهعنوان یک مولکول حلقهای حاوی گوگرد، نشان میدهد که مسیرهای شیمیایی برای تشکیل اسکلتهای آلی پیچیده در شرایط سرد و کمانرژی ابرها فعال است. واکنشهای سطحی روی ذرات یخی میانستارهای، تابشها و تخلیههای الکتریکی موضعی میتوانند مسیرهایی را فراهم کنند که از مولکولهای سادهتر مانند سولفیدها و تیولها به ساختارهای حلقهای منتهی شود.
این واقعیت که تیوپین در ابر G+0.693–0.027 مشاهده شده، نشان میدهد اگرچه شرایط محلی پیچیده است، لیکن مسیرهای شیمیایی کلی میتواند در ابرهای مولکولی مختلف تکرار شود و ترکیبات گوگرددار پیچیده را به وجود آورد.
پیامدها برای اخترزیستشناسی و منشاء حیات
یک نتیجهٔ کلیدی این کشف این است که بلوکهای سازندهٔ پیچیدگی شیمیایی که ممکن است منجر به پیشزیست شوند، نه تنها در محیطهای گرم و نزدیک ستاره، بلکه در ابرهای سرد و دورافتاده نیز قابل تولیدند. این امر توزیع گستردهتری از مولکولهای پیشزیستی بالقوه را در کهکشان نشان میدهد و احتمال تحویل آنها به سیارات در حال شکلگیری را از طریق دنبالهدارها و شهابسنگها افزایش میدهد.
آزمایشهای بررسی شکلگیری پپتیدها و دیگر اجزای زیستی در شرایط شبیهسازیشدهٔ فضا این ایده را تقویت کردهاند که پیشنیازهای شیمی حیات میتوانند در مراحل اولیهٔ چرخهٔ ستارهزایی شکل گرفته و در قالب ذرات یخی و غبار به قرصهای پروتوپلنتار منتقل شوند.
بنابراین، کشف مولکولهای حلقهای گوگردی مانند تیوپین میتواند بینشهای جدیدی دربارهٔ چگونگی دسترسی مواد آلی پیچیده به محیطهای مناسب برای تکامل شیمیایی و نهایتاً بیولوژیکی فراهم کند.
چالشها و گامهای بعدی در پژوهش
چالشهای فنی و علمی متعددی پیش رو است. از منظر رصدی، نیاز به نقشهبرداری گستردهتر ابرهای مولکولی غنی و دستیابی به دادههای با وضوح فرکانسی و حساسیت بالاتر وجود دارد تا گونههای کمبسامد یا همپوشانده شناسایی شوند. چنین کارهایی ممکن است شامل استفاده از آرایههای با پایهٔ بلند مانند ALMA برای تفکیک فضایی یا همکاریهای شبکهای رادیوتلسکوپی برای افزایش حساسیت باشند.
در بخش آزمایشگاهی، گسترش پایگاه دادههای طیفسنجی برای گونههای همخانوادهٔ تیوپین — شامل ایزومرها و مشتقات مختلف — ضروری است تا رصدهای آتی قابلیت تبیین دقیقتری داشته باشند. همچنین، شبیهسازیهای شیمیای میانستارهای که مسیرهای تولید و نابودی این مولکولها را مدل میکنند، میتوانند شرایط بحرانی و پارامترهای حساس را نشان دهند.
از منظر نظری، بررسی این که چه واکنشهایی در سطح پارامترهایی چون دما، تابش فرابنفش، و چگالی ذرات منجر به تشکیل حلقههای گوگردی میشوند، به توسعهٔ مدلهای قابلاطمینان کمک خواهد کرد. این موضوع میتواند به درک زمانبندی شکلگیری مولکولها در چرخهٔ ستارهزایی و انتقال آنها به قرصهای سیارهزایی بینجامد.
نتیجهگیری مقدماتی و چشمانداز
کشف تیوپین در ابر G+0.693–0.027 یک گام مهم در درک شیمی میانستارهای و منشأ ترکیبات آلی پیچیده است. این کشف مرز بین آلیهای سادهٔ میانستارهای و مواد پیچیدهٔ یافت شده در نمونههای سیارکی را کاهش میدهد و نشان میدهد که فرایندهای شیمیایی پیشزیستی ممکن است در مراحل بسیار ابتداییِ چرخهٔ شکلگیری سیاره حضور داشته باشند.
اگر جستوجوها برای حلقههای گوگردی بیشتر در ابرهای دیگر موفق باشند، ما شاهد گسترش فهرست آلیهای میانستارهای خواهیم بود و میتوانیم بهتر بفهمیم چگونه اجزای سازندهٔ حیات از ابرهای مولکولی به دنیای نوپدید منتقل میشوند. این مسیر تحقیقاتی ترکیبی از رصدهای پیشرفته، طیفسنجی آزمایشگاهی دقیق و مدلسازیهای نظری است که میتواند تصویر جامعی از شیمی کهکشان به دست دهد.
در پایان، باید یادآور شد که هر کشف جدید در شیمی میانستارهای مانند اضافه شدن یک کلمه به یک زبان ناشناخته است؛ هر واژهٔ تازه قواعد و امکانات بیان را گستردهتر میکند و ما را به سوی درک بهتر از پیشینهٔ شیمیاییِ پیدایش حیات هدایت میکند.
منبع: sciencealert
ارسال نظر