رصد تلسكوب جيمس ويب مجموعة مذهلة من الجزيئات العضوية في مجرة ​​بعيدة

حدد فريق دولي بقيادة إسبانيا في تقع المجرة على بعد حوالي 1.300 مليار سنة ضوئية ترسب هائل من الجزيئات العضوية الصغيرة، وفير لدرجة أن النماذج النظرية الحالية لا تستطيع تفسيره. وقد أصبح هذا الاكتشاف ممكناً بفضل عمليات الرصد بالأشعة تحت الحمراء لـ تلسكوب جيمس ويب الفضائي، القادرة على اختراق طبقات الغاز والغبار الكثيفة التي تخفي قلب هذا النوع من المجرات.

يمثل هذا البحث نقطة تحول بالنسبة لـ علم الأحياء الفلكي والكيمياء بين النجوملأنها تسمح لنا بمراقبة عمليات تكوين وتدمير وتحول الجزيئات العضوية في بيئة قاسية بشكل مباشر. وتشير النتائج إلى أن نواة هذه المجرة تعمل كـ مصنع كوني للمركبات العضوية، مدعومة بفعل الأشعة الكونية المنبعثة من ثقبها الأسود المركزي.

دراسة بلمسة إسبانية في مجرة ​​متطرفة

يتولى قيادة هذا العمل مركز علم الأحياء الفلكي (CAB، CSIC-INTA)شملت الدراسة مشاركة معهد الفيزياء الأساسية (IFF-CSIC)، وجامعة ألكالا (مدريد)، وجامعة أكسفورد (المملكة المتحدة). وقد نُشرت النتائج في المجلة. طبيعة علم الفلكوهذا يؤكد الأهمية الدولية لهذا التقدم ويضع المجتمع العلمي الإسباني في طليعة الاستخدام العلمي لتلسكوب جيمس ويب.

المجرة هي بطلة الدراسة. IRAS 07251-0248نظام مصنف على أنه مجرة الأشعة تحت الحمراء فائقة اللمعان (ULIRG)تتشكل هذه الأنواع من الأجسام عمومًا بعد اصطدام مجرتين ضخمتين، وهي صدمة عنيفة تُطلق نشاطًا طاقيًا شديدًا للغاية وتولد كميات هائلة من الغبار الكونيفي هذه الحالة، أدى الاصطدام إلى تغليف النواة المجرية بالكامل بسحابة كثيفة تمتص الضوء المرئي والأشعة فوق البنفسجية، وتحوله إلى حرارة يتم إعادة إشعاعها في نطاق الأشعة تحت الحمراء.

وبسبب طبقة الغبار المعتمة تلك تحديدًا، لم تتمكن التلسكوبات البصرية التقليدية إلا من جمع أي معلومات تقريبًا عن باطن المجرة IRAS 07251-0248. ومع ذلك، فإن المجرة يتألق بشدة استثنائية في نطاق الأشعة تحت الحمراء.وهذا ما يجعلها هدفاً مثالياً لأجهزة تلسكوب جيمس ويب. وبفضل حساسيتها، أصبح من الممكن دراسة مناطق ظلت حتى الآن عملياً خارج نطاق رصدنا.

بحسب المؤلفين، فإن المجرة من بين أكثر غموضًا معروفًالكن هذا الظلام بالذات، على نحوٍ متناقض، هو ما يخلق البيئة المثالية لتطور الكيمياء المعقدة. ففي هذه المناطق الكثيفة، المحمية من الإشعاع الأكثر تدميراً، يمكن للغبار والغاز أن يخضعا لعمليات فيزيائية تُفضّل تكوين جزيئات أكثر تعقيداً.

من منظور أوروبي، توضح الدراسة الدور الرئيسي للتحالفات العلمية التي يتعاونون فيها. المؤسسات الإسبانية والبريطانية باستخدام بنى تحتية دولية مثل جيمس ويب أو مرصد ألما، والتي تتولى وكالة الفضاء الأوروبية (ESA) بناءها وتشغيلها كشريك رئيسي لوكالة ناسا.

عين جيمس ويب بالأشعة تحت الحمراء وجرد كيميائي غير مسبوق

لكشف خبايا IRAS 07251-0248 المليئة بالغبار، استخدم الفريق عمليات رصد طيفية لـ تلسكوب جيمس ويب الفضائي (JWST) في نطاق من 3 إلى 28 ميكروننطاق الأشعة تحت الحمراء مناسب بشكل خاص للدراسة مناطق شديدة الظلام بسبب الغبار. تم دمج البيانات من جهازين رئيسيين: NIRSpec (مطياف الأشعة تحت الحمراء القريبة) و MIRI (جهاز الأشعة تحت الحمراء المتوسطة).

تسمح هذه الأطياف بالكشف عن "بصمات" كيميائية من أنواع مختلفة في الغازات والمواد الصلبة. وعلى وجه التحديد، تم تحديد البصمات الطيفية المرتبطة بالجزيئات العضوية في الطور الغازيإلى الجليد (مثل جليد الماء) وإلى أنواع مختلفة من حبيبات الغبار الغنية بالكربون. ومن خلال تحليل سطوع وشكل هذه الإشارات، تمكن الباحثون من تقدير الوفرة ودرجة الحرارة من أنواع كيميائية عديدة.

والنتيجة هي مخزون غني للغاية من الجزيئات العضوية الصغيرةتجاوزت النتائج التوقعات بكثير. ومن بين المركبات التي تم رصدها: البنزين (C₆H₆)، والميثان (CH₄)، والأسيتيلين (C₂H₂)، وثنائي الأسيتيلين (C₄H₂)، وثلاثي الأسيتيلين (C₆H₂). علاوة على ذلك، ولأول مرة، [تم رصد ما يلي] جذر الميثيل (CH₃) خارج مجرة ​​درب التبانة، وهو إنجاز هام يفتح الباب لدراسة العمليات التي تؤدي إلى ظهور جزيئات أكثر تعقيداً بمزيد من التفصيل.

لم تُلاحظ بعض هذه الجزيئات حتى الآن إلا في بيئات قريبة نسبياً: مناطق النظام الشمسيتحتوي بعض مناطق مجرة ​​درب التبانة أو المجرات القزمة مثل سحابة ماجلان على هذه المركبات، وإن كانت بكميات أقل بكثير. ويُشكّل وجود هذا الكم الهائل والوفير من المركبات العضوية في مجرة ​​بعيدة تحديًا لتوقعات النماذج الكيميائية الحالية.

يؤكد إسماعيل غارسيا بيرنيت، الباحث في مركز أبحاث السرطان في بازل والمؤلف الأول للورقة البحثية، أنهم وجدوا وفرة فاقت التوقعات بكثير كشفت المحاكاة عن "تعقيد كيميائي غير متوقع" يجبرنا على مراجعة فهمنا للتطور الكيميائي في نوى المجرات المحجوبة بشدة. ووفقًا للتفسير، فإن هذا السيناريو يشير إلى وجود مصدر مستمر للكربون وهذا ما يحافظ على استمرار هذا الإنتاج المكثف للجزيئات العضوية.

بالإضافة إلى الغاز، تشير البيانات إلى كمية هائلة من مادة صلبة على شكل جليد وحبيبات غبار غنية بالكربون. هذا المزيج من الأطوار الصلبة والغازية ضروري لتفسير كيفية تجمع الجزيئات وتفككها في الوسط بين النجوم، وخاصة في بيئات قاسية مثل قلب المجرة فائقة اللمعان بالأشعة تحت الحمراء.

الأشعة الكونية والثقوب السوداء: محرك مصنع عضوي

بالإضافة إلى تجميع الكتالوج الكيميائي، تقترح الدراسة آلية فيزيائية لشرح كيفية توليد ذلك. إنتاج فعال للجزيئات العضويةتشير النماذج المقترحة إلى أن المفتاح يكمن في أشعة كونيةجسيمات ذات طاقة عالية للغاية مرتبطة بنشاط ثقب أسود عملاق الذي يقيم في مركز IRAS 07251-0248.

يوجد في الوسط بين النجوم في هذه المجرة وفرة ملحوظة من مسحوق غني بالكربون والهيدروكربونات العطرية متعددة الحلقات (PAHs)، وهي جزيئات معقدة تتكون من حلقات كربونية. عندما تمر الأشعة الكونية عبر هذه المناطق الكثيفة، فإنها تصطدم بحبيبات الغبار والهيدروكربونات العطرية متعددة الحلقات، مما يؤدي إلى عملية التفتت والتآكل على نطاق مجهري.

يعمل هذا القصف المستمر كنوع من "المصقل الكوني"، حيث يُفتت الهياكل الكبيرة إلى أجزاء أصغر فأصغر. وبهذه الطريقة، مصدر مستدام للكربون والشظايا الجزيئية يؤدي هذا إلى تكوين مركبات مثل الميثان والبنزين والأسيتيلين وجذر الميثيل. بعبارة أخرى، فإن العملية نفسها التي تُدمر الجزيئات المعقدة تُنتج في الوقت نفسه مزيجًا كيميائيًا غنيًا جدًا بالجزيئات الأبسط.

وقد وجد الفريق علاقة بين شدة التأين تنتج هذه الظاهرة عن الأشعة الكونية ووفرة بعض الهيدروكربونات، مما يعزز هذا التفسير. وبدلاً من أن تلعب الجسيمات النشطة والبيئة القاسية لنواة المجرة دورًا ثانويًا، فإنها تصبح القوة الدافعة الرئيسية وراء هذا "التفاعل الكيميائي العضوي الجامح".

من وجهة نظر تطور المجرات، تشير هذه الآلية إلى أن نوى مخفية بعمق قد تكون هذه المناطق أكثر نشاطًا كيميائيًا مما كان يُعتقد سابقًا. فبدلًا من أن تكون مجرد مصارف للغبار والغاز، ستعمل هذه المناطق كـ مصانع الجزيئات العضوية مع القدرة على التأثير على التركيب الكيميائي لمساحات واسعة من المجرة بمرور الوقت.

الآثار المترتبة على الحياة واستكشاف الكون الخفي

على الرغم من أن الدراسة لا تركز على اكتشاف الحياة، إلا أنها لها آثار مباشرة على فهم كيف تبدأ التعقيدات الكيميائية؟ والتي، في البيئات المناسبة، قد تؤدي إلى عمليات ما قبل الحياة. وتُعتبر الجزيئات الصغيرة التي تم تحديدها، مثل الميثان أو البنزين، الطوب الأساسي والتي، من خلال التفاعلات المتتالية، يمكن أن تؤدي إلى ظهور هياكل عضوية ذات حجم أكبر وتعقيد أكبر.

وبهذا المعنى، يشير الاكتشاف إلى أن الكون قد يحتضن العديد من المناطق الأخرى الغنية بالمركبات العضوية هذا أكثر مما كان يُعتقد سابقًا، لا سيما في أنوية المجرات شديدة التعتيم، والتي كانت حتى الآن غير مرئية عمليًا في نطاقات أخرى من الطيف. كل بيئة جديدة يتم فيها تأكيد وجود كيمياء عضوية غنية توسع نطاق السيناريوهات التي يمكن أن تنشأ فيها الظروف الملائمة للحياة.

بالنسبة للمجتمع العلمي الأوروبي، يمثل هذا العمل أيضاً برهاناً عملياً على إمكانات جيمس ويب لاستكشاف "الكون الخفي": تلك المناطق التي يحجب فيها الغبار الضوء المرئي ولكنه يسمح للأشعة تحت الحمراء بالمرور. إن الجمع بين القدرات التكنولوجية للتلسكوب وخبرة مجموعات بحثية مثل CAB أو IFF-CSIC يفتح الباب أمام حملات منهجية لدراسة المجرات فائقة اللمعان بالأشعة تحت الحمراء وغيرها من النوى النشطة.

علاوة على ذلك، تُسهم هذه النتائج في تحسين النماذج التي تصف كيفية تكوّن الهيدروكربونات ونموها وتحللها في الوسط بين النجوم. وحتى الآن، لم يكن التوازن بين تدمير الجزيئات المعقدة بفعل الإشعاع أو التصادمات وتكوّن أنواع عضوية جديدة مفهومًا جيدًا. وتُقدّم نتائج IRAS 07251-0248 أدلة رصدية واضحة آلية يكون فيها التدمير، بدلاً من إبطاء التفاعلات الكيميائية، هو المحرك لها.

مع كل هذا، تصبح المجرة المدروسة مجرة ​​حقيقية مختبر طبيعي يهدف هذا البحث إلى دراسة كيفية تفاعل الغبار والغاز وحقول الإشعاع والأشعة الكونية في تكوين الجزيئات العضوية. ويأمل الباحثون أن تُمكّنهم عمليات الرصد المستقبلية باستخدام تلسكوب جيمس ويب وغيره من التلسكوبات من مقارنة IRAS 07251-0248 مع نوى مجرية أخرى محجوبة، وتقييم ما إذا كانت هذه الأنواع من "المصانع" الكيميائية استثنائية أم أنها، على العكس من ذلك، سمة شائعة في التاريخ التطوري للعديد من المجرات.

تشير كل الدلائل إلى أنه لا يزال هناك الكثير مما يجب تعلمه عن هذه المناطق الخفية: قائمة "وحشية" من الجزيئات العضوية إن اكتشاف IRAS 07251-0248 ليس سوى الخطوة الأولى في سلسلة من الأبحاث التي تعد بإعادة تعريف نظرتنا إلى كيمياء الكون، ودور الثقوب السوداء في تحول المادة، وإمكانات تلسكوب جيمس ويب للكشف عن كون أكثر ثراءً وديناميكية مما كنا نتصور.