دانشمندان نخستین مولکول تاریخ گیتی را بازآفرینی کردند؛ کشف راز ۱۳ میلیارد ساله

دانشمندان نخستین مولکولی را که تاکنون شکل گرفته بازآفرینی کردند و دریافتند که این مولکول، در مقایسه با آنچه پیش‌تر تصور می‌شد، احتمالا نقش بسیار مهم‌تری در تولد ستارگان اولیه داشته است.

گیتی بلافاصله پس از شکل‌گیری‌ آن در حدود ۱۳.۸ میلیارد سال پیش، به‌طرز تصورناپذیری داغ و چگال بود و چند ثانیه بعد سرد شد تا نخستین عناصر، یعنی هیدروژن و هلیوم، شکل بگیرند، هرچند که [این عناصر در آن زمان] کاملا یونیزه شده بودند.

سپس ۳۸۰ هزار سال دیگر طول کشید تا دمای گیتی اولیه به قدری کاهش یابد که اتم‌های خنثی با الکترون‌های آزاد ترکیب شوند و راه را برای نخستین واکنش‌های شیمیایی هموار کنند.

تصور می‌شود نخستین مولکولی که به این روش شکل گرفت یون هلیوم هیدرید (+HeH) بوده باشد که از ترکیب یک اتم خنثی هلیوم با یک اتم یونیزه‌شده هیدروژن به وجود آمده است.

دانشمندان می‌گویند، پیدایش هلیوم هیدرید همچنین سرآغاز یک واکنش زنجیره‌ای بود که به شکل‌گیری مولکول هیدروژن (H2) انجامید که، با اختلاف، رایج‌ترین مولکول در گیتی است.

اگرچه گیتی نوزاد در این زمان به دلیل پیوند خوردن الکترون‌های آزاد شفاف شده بود، هنوز هیچ جرم نورانی مانند ستاره‌ها وجود نداشت.

پژوهشگران دریافتند که این مولکول کهن هلیوم هیدرید طی فرایندی، که چند صد میلیون سال طول کشید، به خنک شدن گیتی کمک کرد و پس از آن نخستین ستارگان مشتعل شدند.

ستارگان با همجوشی هسته‌ای انرژی می‌گیرند؛ فرایندی که در آن هسته‌های سبک با هم ترکیب می‌شوند تا یک هسته سنگین‌تر بسازند و مقدار عظیمی انرژی آزاد کنند.

با این حال، برای اینکه هر ابر گازی در حال انقباض یک پیش‌ستاره بتواند تا جایی بِرُمبد که همجوشی هسته‌ای آغاز شود، گرما باید از طریق برخورد میان اتم‌ها و مولکول‌ها دفع شود که در ادامه این انرژی را به صورت فوتون گسیل می‌کنند.

اما این فرایند در دمای زیر ۱۰ هزار درجه سانتی‌گراد برای اتم‌های هیدروژن غالب ناکارآمد می‌شود.

بنابراین، پژوهشگران مدت‌هاست که یون‌های هلیوم هیدرید را یک گزینه احتمالی مهم برای خنک‌سازی در شکل‌گیری نخستین ستارگان در نظر گرفته‌اند.

این مولکول‌های کهن می‌توانستند با انتشار انرژی بیشتر از طریق چرخش و ارتعاش، به‌ویژه در دماهای پایین، به خنک‌سازی بیشتر کمک کنند.

این بررسی دریافت که غلظت یون‌های هلیوم هیدرید در گیتی احتمالا نقش کلیدی در کارآمدی شکل‌گیری اولیه ستارگان داشته است.

پژوهش جدید، که در مجله «اخترشناسی و اخترفیزیک» (Astronomy and Astrophysics) منتشر شده است، از یک مجموعه آزمایشگاهی ویژه فراسرد استفاده کرد تا شرایط بیش از ۱۳ میلیارد سال پیش را، که به شکل‌گیری این مولکول‌ها انجامید، شبیه‌سازی کند.

این پژوهش برای نخستین بار، شرایطی مشابه گیتی اولیه را در «دستگاه حلقه‌ ذخیره‌سازی برودتی» (سی‌اس‌آر) در مرکز فیزیک اتمی موسسه ماکس پلانک بازسازی کرد؛ آزمایشگاهی ویژه در جهان که برای بررسی واکنش‌های مولکولی و اتمی تحت شرایط شبیه به فضا ساخته شده است.

دانشمندان در این پژوهش، یون‌های هلیوم هیدرید را که تا یک دقیقه در حلقه ذخیره‌سازی با قطر ۳۵ متر و در دمای چند کلوین (منفی ۲۶۷ درجه سانتی‌گراد) نگهداری می‌شدند، با پرتو اتم‌های خنثی هیدروژن روی هم قرار دادند.

آنها این موضوع را بررسی کردند که نرخ برخورد چگونه با دما تغییر می‌کند و دریافتند که، برخلاف پیش‌بینی‌های پیشین، نرخ این واکنش با کاهش دما کند نمی‌شود.

هولگر کرکل، یکی از نویسندگان این مقاله از موسسه ماکس پلانک گفت: «نظریه‌های پیشین پیش‌بینی می‌کردند که احتمال واکنش در دماهای پایین به‌شدت کاهش یابد، اما ما این موضوع را نه در آزمایش و نه در محاسبات نظری جدید همکارانمان نتوانستیم تایید کنیم.»

این یافته‌ها نشان می‌دهند که واکنش‌های هلیوم هیدرید با هیدروژن، برای شیمی گیتی اولیه بسیار مهم‌تر از آن بوده که پیش‌تر تصور می‌شد.