على الرغم من أننا قد لا نفكر في الأمر كثيرًا، إلا أن المواد التي تشكل أجسامنا هي بالفعل نفس المواد التي تصنع منها النجوم والكواكب.
اكتشف العلماء أن أماكن تكوين النجوم والكواكب تحتوي على الكثير من الجزيئات – جزيئات صغيرة تتحد لتكون كل شيء من حولنا- وهذا يعني وجود فرصة وبيئة خصبة لتَشكل حياة جديدة في مثل هذه المناطق من الفضاء!
ولكن كيف عرِفت البشرية هذه المعلومات وما العِلم المختص بدراستها؟
ما هو علم الكيمياء الفلكية؟
علم الكيمياء الفلكية أو كيمياء الفضاء هو تداخل بين تخصصات الكيمياء والفلك، يهتم بدراسة العناصر والمركبات الكيميائية الموجودة في الفضاء وحول الأجرام السماوية؛ بما في ذلك:
- التعرف عليها
- تكوينها
- تفاعلاتها
- تأثيرات الإشعاع الكهرومغناطيسي عليها
- وطرق تحطيمها وموتها
وبكلمات أكثر تحديدًا: الدراسة الكيميائية لسحابة جزيئات الغاز الموجودة بين النجوم (الوسط البين نجمي) خارج النظام الشمسي.
رائد علم الكيمياء الفلكية
يرجع الفضل في اكتشاف مواد الجزيئات الكيميائية، بداية من غاز الهيدروجين إلى المواد العضوية إلى عالمة الكيمياء الفلكية Ewine van Dishoeck، والتي ظفرت بجائزة كافلي لعام 2018 في الفيزياء الفلكية؛لمساهماتها المشتركة في الكيمياء الفلكية الرصدية والنظرية والمختبرية، وتوضيح دورة حياة السحب بين النجوم وتشكيل النجوم والكواكب.
تاريخ الكيمياء الفلكية
بالرغم من تطور علم الفلك الراديوي منذ ثلاثينيات القرن الماضي؛ إلا أننا لم نتعرف على الجزيئات الموجودة في الوسط البين نجمي، فكان كل ما نعرفه كيمائيًا حتى تلك اللحظة عبارة عن ذرات فردية.
في بداية أربعينيات القرن الماضي، حلل ماكيلار وزملاؤه خطوط الطيف الخاصة بالجزيئات ثنائية الذرة، مثل CH، الموجودة في الوسط البين نجمي، وبالتالي صحح اعتقاد عدم وجود نشاط جزيئي في الفضاء بين النجوم.
في الثلاثين عامًا التي تلت ذلك، اُكتشفت مجموعة صغيرة من الجزيئات في الفضاء بين النجوم، أهمها OH كمصدر للأكسجين بين النجوم، وذلك في عام 1963.
بالإضافة إلى اكتشاف الفورمالدهيد في عام1969، الذي تكمن أهميته في كونه أول جزيء عضوي متعدد الذرات مرصود في الفضاء بين النجوم.
منذ ذلك الحين، توالت الاكتشافات للوصول إلى أكثر من 200 جزيء بالنجوم من أهمها أول أكسيد الكربون والماء، هذا الجزيء الأخير مهم جدًا أيضًا؛ لكون وجود الماء المتكرر نسبيًا في أماكن أخرى، خارج الأرض، يعزز إمكانية إقامة مساكن بشرية في المستقبل على الكواكب الأخرى.
التقنيات المستخدمة في الكيمياء الفلكية
التحليل الطيفي الفلكي
يستخدم العلماء التلسكوبات الطيفية لقياس خصائص الأجسام في الفضاء، مثل درجة الحرارة وعناصر التكوين، وذلك عن طريق تحليل طيف الجٌزيء الكيمائي لاكتشاف خصائصه.
يمكن أن يوفر التحليل الطيفي نظرة ثاقبة لأنواع الجزيئات الموجودة في النجوم، السدم والأجرام السماوية الأخرى.
علم الفلك الراديوي
عِلم يدرس الإشعاع الكهرومغناطيسي القادم من الأجرام السماوية بأطوال موجات الراديو.
للكشف عن وجود العديد من المركبات العضوية وغير العضوية، نستخدم التلسكوبات الراديوية المقترنة بهوائيات مضخمة لالتقاط إشارات الراديو.
وينتج عن الغازات في وسط بين النجوم عدد من الخطوط الطيفية، وخصوصا الخط الطيفي لذرة الهيدروجين والذي يبلغ طوله 21 سم، دالًا على وجود كميات كبيرة من الهيدروجين.
مطياف الأشعة تحت الحمراء
تعكس الأشعة تحت الحمراء أطوال موجية مميزة لمركبات كيميائية معينة، مثل المعادن.
كما نلتقط الأشعة بواسطة تلسكوبات الأشعة تحت الحمراء الموجودة على قمة الجبال العالية أو أجهزة الكشف عن الأقمار الصناعية، حيث يمتص الغلاف الجوي للأرض معظم الأشعة تحت الحمراء القادمة من الفضاء.
تخترق الأطوال الموجية الخاصة بالأشعة تحت الحمراء سحب الغبار الكوني؛ وبالتالي يمكن مشاهدة ما هو مخفي، كما تنبعث من بعض الجزيئات أشعة تحت حمراء وبالتالي يمكن التعرف على ما بها من أنواع كيميائية.
محدودية التعرف على المركبات
ونظرًا للتداخل الكهرومغناطيسي والخصائص الكيميائية لبعض الجزيئات، يوجد بعض القصور. فعلى سبيل المثال، الجزيء الأكثر شيوعًا (H2، غاز الهيدروجين) لا يتم التعرف عليه بواسطة التلسكوبات الراديوية وذلك لعدم احتوائه على عزم ثنائي القطب؛ على عكس جزئ أول أكسيد الكربون، المميز بسهولة التعرف عليه مع موجات الراديو نتيجة العزم ثنائي القطب الكهربائي القوي.
الجزيئات المكتشفة
في الوقت الذي اكتشف فيه الغاز والغبار في الوسط البين نجمي؛ كان هناك اعتقاد بأن المسافة بين النجوم فارغة، إلى أن تطور علم الفلك الراديوي في خمسينيات وستينيات القرن الماضي. والذي ساعد علماء الفلك على اكتشاف وفرة من الهيدروجين الجزيئي في الوسط النجمي.
منذ ذلك الحين،اكتشف العلماء أكثر من 140 نوعًا حتى الآن من المواد الكيميائية (بما في ذلك الجذور والأيونات). وهي تشمل الماء والأمونيا وأول أكسيد الكربون وحمض الهيدروسيانيك والكحوليات المختلفة والأحماض والألدهيدات والكيتونات.
ونظرًا لتناثر المادة وظروف الفضاء البين نجمي الأخرى، الجزيئات والأيونات الجزيئية غير المستقرة على الأرض موجودة بوفرة في الفضاء؛ وأحد الأمثلة على ذلك هو وجود أيون الهيدروجين الجزيئي البروتوني، 3+H.
ولأن السحب الجزيئية في الفضاء بين النجوم هي مناطق تتشكل فيها النجوم، فإن دراسة كيمياء هذه السحب يمكن أن تكشف عن آليات تكوين النجوم.
ادعى بعض العلماء اكتشاف الجلايسين بين النجوم، أبسط حمض أميني، لكن هذا الادعاء أثار جدلًا كبيرًا. ومع ذلك، فإن الباحثين يواصلون البحث عن الأحماض الأمينية وغيرها من اللبنات الكيميائية للحياة؛ حيث أن اكتشاف مثل هذه الجزيئات في الوسط النجمي سيكون له آثار على الآليات المحتملة لأصل الحياة على الأرض.
على مر السنين، أدى اكتشاف جزيئات جديدة إلى تساؤلات حول كيفية تكوين هذه الجزيئات في مثل هذه البيئات المعادية وإلى أي مدى يمكن أن يصل التعقيد الكيميائي.
بالتوازي، نشأت أسئلة أخرى: كيف يتم دمج الجزيئات في النجوم والكواكب؟ هل الكيمياء التي تحدث في الوسط البين نجمي تتعلق بأصل الحياة على الأرض؟
كل هذه الأسئلة والحاجة ذات الصلة لتعميق معرفتنا تمثل الحدود الحالية في الكيمياء الفلكية.
التفاعلات النووية في الوسط البين نجمي
تداخل الكيمياء الفلكية مع الفيزياء الفلكية والفيزياء النووية يوضح التفاعلات النووية التي تحدث في النجوم، نتيجة التطور النجمي، والأجيال النجمية.
في الواقع، تنتج التفاعلات النووية في النجوم كل عنصر كيميائي طبيعي؛ ومع تقدم الأجيال النجمية تزداد كتلة العناصر المتكونة حديثًا.
فنجم الجيل الأول ينتج الهيليوم(He) من خلال استخدامه لعنصر الهيدروجين (H) كمصدر للوقود، الهيدروجين هو العنصر الأكثر وفرة، وهو لبنة البناء الأساسية لجميع العناصر الأخرى حيث تحتوي نواته على بروتون واحد فقط.
سحب الجاذبية نحو مركز النجم ينتج كميات هائلة من الحرارة والضغط، مما يؤدي إلى الاندماج النووي، من خلال عملية الكتل النووية الناشئة، وبالتالي تتشكل عناصر أثقل.
الليثيوم والكربون والنيتروجين والأكسجين هي أمثلة على العناصر التي تتشكل في الاندماج النجمي. بعد العديد من الأجيال النجمية، تتشكل عناصر ثقيلة جدًا، مثل الحديد والرصاص.
مفهوم التطور الكيميائي
كشف تقدم الدراسات القائمة على الرصد عن التنوع الكيميائي في الفضاء، وهو التباين من مصدر إلى مصدر في التركيب الكيميائي الذي أدى إلى مفهوم التطور الكيميائي. من أجل اشتقاق التركيب الكيميائي لجسم فلكي، يلزم تطبيق كل من الملاحظات الفلكية الراديوية والتحليل الطيفي المختبري.
في الواقع، يتم التأكد من وجود جزيء معين في البيئة الفلكية قيد الدراسة من خلال الملاحظة الفلكية لخصائصه الطيفية، مع تحديد الغالبية العظمى من الأنواع الكيميائية في طور الغاز من خلال التوقعات الدورانية الخاصة بها.
وعلى الرغم من أكثر من 200 جزيء تم اكتشافها في الوسط البين نجمي، إلا أن عددا كبيرًا من الأطياف الفلكية الراديوية لا تزال غير معروفة، وهذا يعني أننا ما زلنا بعيدين عن المعرفة الكاملة بما في ذلك الوسط البين نجمي.
من بين الجزيئات المكتشفة في الفضاء، تلك ذات الطابع البريبايوتيك. ففي العقدين الماضيين، تم بذل الكثير من الجهود لإثبات وجود وحدة البناء البيولوجية في الوسط البين نجمي، لأنها يمكن أن توفر معلومات مهمة عن التطور الكيميائي.
فعلى سبيل المثال؛ الجلايسين (NH2CH2COOH)، أبسط الأحماض الأمينية، برغم البحث عنه بشكل مكثف في الوسط البين نجمي، تم العثور عليه (مع العديد من الأحماض الأمينية والقواعد النووية الأخرى) في بعض النيازك التي سقطت على الأرض (مثل نيزك مورشيسون) وفي المذنبات (مثل مذنب 67 بي/تشوريوموف-جيراسيمنكو).
ولكن فشلت الجهود المبذولة لاكتشافه في الوسط البين نجمي حتى الآن ومع ذلك، قد تم تفسير هذا إلى حد كبير على أنه يعني أن الجلايسين موجود بالفعل بين النجوم، لكن انتقالاته الدورانية ضعيفة للغاية بحيث لا يمكن تحديدها.
هناك فئة من المركبات التي تستحق إشارة خاصة؛ هي تلك الهيدروكربونات العطرية متعددة الحلقات، فهناك فئة واسعة من الهيدروكربونات العطرية تتكون من حلقات البنزين متصلة معًا.
تم اكتشافها في أكثر البيئات الفلكية تباينًا، بما في ذلك، حبيبات الغبار بين النجوم والأقمار الجليدية والمذنبات والنيازك الكربونية. ضمن ما يسمى “فرضية الهيدروكربونات العطرية متعددة الحلقات “، يفترض أيضًا أن الهيدروكربونات العطرية متعددة الحلقات تشارك في التخليق غير الحيوي للجزيئات البيولوجية.
وعلى الرغم من انتقاد هذه الفرضية إلى حد كبير، إلا أن الهيدروكربونات العطرية متعددة الحلقات تلعب دورًا واضحًا في التطور الكيميائي للكون.
النشاط الكيميائي
فهم العمليات الكيميائية في الفضاء هو أحد الأهداف الرئيسية للكيمياء الفلكية.
التعقيد الجزيئي وتشكيل النجم يمضيان جنبًا إلى جنب وبالنسبة للأخير، يمكن تلخيص التطور على النحو التالي: تتحول السحابة البدائية إلى غلاف أولي، والذي يتطور إلى قرص كوكبي أولي ثم نظام كوكبي. تتوازى عملية تكوين النجوم هذه مع التعقيد المتزايد في التركيب الكيميائي للغاز.
في أوائل السبعينيات، تم استخدام تفاعلات الجزيئات الأيونية الغازية لشرح الوفرة الجزيئية التي لوحظت في السحب بين النجوم. وفي وقت لاحق، أدركت أهمية تفاعلات التعادل في مرحلة الغاز، حتى في درجات الحرارة المنخفضة. ومع ذلك، أدى تقدم قدرات الرصد إلى اكتشاف الجزيئات في المناطق التي لا يمكن أن تساهم فيها تفاعلات الطور الغازي بشكل كبير في التفاعل الكيميائي.
يمثل هذا بداية كيمياء سطح الحبيبات، أي تعديل التفاعلات الكيميائية التي تحدث على سطح حبيبات الغبار. ومع ذلك، لا يزال هناك الكثير مما يجب فهمه حول تكوين الجزيئات، وغالبًا ما تكون آليات التفاعل المقترحة مثيرة للجدل وغير حاسمة.
يمكن التحقيق بدقة في طرق تكوين كل نوع جزيئي مفرد، ولذلك من الضروري معالجة عدد كبير من التفاعلات الكيميائية في وقت واحد من أجل عرض التطور الكيميائي لبيئة فلكية معينة.
لإنشاء شبكة معقدة من التفاعلات الأولية التي تحدث، على سبيل المثال، في السحب بين النجوم أو الأجواء الكوكبية، يلزم أيضًا عدد كبير من العوامل الفيزيائية والكيميائية. بعد ذلك، هناك حاجة إلى نماذج حركية بما في ذلك آلاف التفاعلات التي تتضمن مئات الأنواع لمحاكاة التطور الكيميائي بمرور الوقت.
وقد أدى ذلك إلى نمو قواعد بيانات كيميائية فلكية مختلفة لجمع المعلومات الحركية المطلوبة للتفاعلات ذات الصلة، ومع ذلك فإن البيانات التي تم جمعها في هذه التفاعلات غير مكتملة، وأحيانًا تكون الافتراضات المدرجة في النماذج موضع شك فنحن في وجود لغز عملاق مع عدد كبير من القطع التي لا تزال مفقودة.
أصل الحياة
إن إلقاء الضوء على الكيمياء التي تحدث في الفضاء، أي فهم كيفية تكوين الجزيئات وتطورها، قد يساعد في تمهيد الطريق لفهم ظهور الحياة على الأرض وأماكن أخرى.
اجتذب هذا الجانب من الكيمياء الفلكية الكثير من الاهتمام في جميع الأوساط العلمية، لكن المعرفة لا تزال في مرحلة بدائية إلى حد ما.
تم اقتراح نظريتين حتى الآن حول ظهور الحياة على كوكبنا، والتوصيل الخارجي والتصنيع الداخلي، لكن لا يمكن الجزم بكون أحدهما أو كلاهما صحيحًا.
بغض النظر عن توصيلها إلى الأرض من الفضاء أو تصنيعها من جزيئات أبسط، فإن أنواع البريبايوتك تطورت بعد ذلك نحو التعقيد البيولوجي، مع تحرك الكيمياء الفلكية نحو علم الأحياء الفلكي، يصبح من المستحيل وضع خط فاصل بين الكيمياء الفلكية وعلم الأحياء الفلكية، مع دمج تحديات الكيمياء الفلكية وعلم الأحياء الفلكية معًا.
باختصار
- الكيمياء الفلكية هي دراسة الجزيئات في الفضاء وتفاعلاتها.
- وهو مجال متعدد التخصصات يجمع بين علم الفلك والكيمياء والفيزياء والجيولوجيا.
- تدرس الكيمياء الفلكية تكوين وتطور وتدمير الجزيئات في السحب بين النجوم والغلاف الجوي للكواكب.
- الجزيء الأكثر وفرة الموجود في الفضاء هو الهيدروجين الجزيئي (H2).
- تشمل الجزيئات الشائعة الأخرى أول أكسيد الكربون (CO) والماء (H2O) والأمونيا (NH3) والميثان (CH4) والفورمالديهايد (HCHO).
- يستخدم الكيميائيون الفلكيون التحليل الطيفي لتحديد الجزيئات في الفضاء عن طريق تحليل أطياف امتصاصها أو انبعاثها بأطوال موجية مختلفة من الضوء أو موجات الراديو.
- العمليات الكيميائية الفلكية مسؤولة عن تكوين النجوم والكواكب والمذنبات والكويكبات والأجسام الأخرى في نظامنا الشمسي وكذلك المجرات الأخرى في جميع أنحاء الكون
المصادر
- Astrochemistry من موقع “supa.ac.uk”
- علم-الرصدي من موقع”astronomy.art”
- Grand Challenges in Astrochemistry من موقع”frontiersin.org”
- History of Astrochemistry The Science and The Technology من موقع”sas.upenn.edu”.
- ASTROCHEMISTRY AND THE ORIGIN OF LIFE من موقع”skyandtelescope.org”.
ما هو علم لكيمياء الفلكية؟
دراسة التركيب الكيميائي للمادة في الكون، وتفاعلاتها، وتشكيلها.
ما هي طرق التعرف علي العناصر الكيميائية في الفضاء الخارجي؟
يتم الكشف علي مكونات الكون من خلال علم الفلك الراديوي، التحليل الطيفي الفلكي، مطياف الأشعة تحت الحمراء.
ما هي رائدة الكيمياء الفلكية؟
فان ديشوك لها الفضل الاكبر في معرفة أصل النجوم والكواكب.
