گروه بینالمللی از دانشمندان از دادههای جمعآوریشده توسط تلسکوپ فضایی جیمز وب برای شناسایی مولکولی به نام کاتیون متیل (CH3+) برای اولین بار استفاده کردهاند که در قرص پیش سیاره ای اطراف ستارهای جوان قرار دارد. آنها این موفقیت را با تجزیه و تحلیل تخصصی بین رشتهای، از جمله ورودی کلیدی از سوی طیفسنجهای آزمایشگاهی، به انجام رساندند.
به گزارش اورانوس وبه نقل از سازمان فضایی اروپا، این مولکول ساده ویژگی منحصر به فردی دارد: واکنش نسبتاً ناکارآمدی با فراوانترین عنصر در جهان ما (هیدروژن) دارد، اما به آسانی با مولکولهای دیگر واکنش نشان میدهد و بنابراین شروع به رشد مولکولهای پیچیدهتر مبتنی بر کربن میکند. شیمی کربن مورد توجه اخترشناسان است زیرا تمام حیات شناخته شده بر پایه کربن است. نقش حیاتی CH3+ در شیمی کربن بین ستارهای در دهه 1970 پیشبینی شده بود، اما قابلیتهای منحصربهفرد وب سرانجام رصد آن را امکانپذیر کرد – در منطقهای از فضا که سیارههایی با قابلیت پذیرش حیات در نهایت شکل میگیرند.
ترکیبات کربنی پایههای همه حیات شناخته شده را تشکیل میدهند، و به همین دلیل برای دانشمندانی که برای درک چگونگی توسعه حیات بر روی زمین و اینکه چگونه میتواند به طور بالقوه در جای دیگری در جهان ما توسعه یابد، از علاقه خاصی برخوردار است. به این ترتیب، شیمی آلی بین ستارهای حوزهای است که برای اخترشناسانی که مکانهای تولد ستارگان و سیارات جدید را مطالعه میکنند، جذاب است. یونهای مولکولی حاوی کربن از اهمیت ویژهای برخوردار هستند، زیرا با مولکولهای کوچک دیگر واکنش میدهند تا ترکیبات آلی پیچیدهتری را حتی در دمای بینستارهای پایین تشکیل دهند.
کاتیون متیل (CH3+) یکی از این یونهای مبتنی بر کربن است. CH3+ از دهه 1970 و 1980 توسط دانشمندان از اهمیت ویژهای برخوردار است. این به دلیل خاصیت شگفت انگیز CH3+ است که با طیف وسیعی از مولکول های دیگر واکنش می دهد. این کاتیون کوچک به اندازه کافی مهم است که به عنوان سنگ بنای شیمی آلی بینستارهای تئوری شده است، اما تاکنون هرگز کشف نشده است. ویژگیهای منحصر به فرد تلسکوپ فضایی جیمز وب آن را به ابزاری آرمانی برای جستجوی این کاتیون مهم تبدیل کرد و در حال حاضر، گروهی از دانشمندان بین المللی برای اولین بار آن را با وب مشاهده کردهاند. ماری-آلین مارتین از دانشگاه پاریس، ساکلی فرانسه، طیفنگار و عضو تیم علمی، توضیح میدهد: «این تشخیص CH3+ نه تنها حساسیت باورنکردنی جیمز وب را تأیید میکند، بلکه اهمیت مرکزی فرضی CH3+ را در شیمی بینستارهای تأیید میکند».
سیگنال CH3+ در قرص ستاره-پیشسیاره ای شناسایی شد منظومهای به نام d203-506 که در فاصله 1350 سال نوری از ما، در سحابی جبار قرار دارد شناسایی شد. در حالی که ستاره d203-506 کوتوله قرمز کوچک است، با جرمی تنها در حدود یک دهم خورشید، منظومه توسط پرتوهای فرابنفش قوی از ستارگان داغ، جوان و پرجرم مجاور بمباران میشود. دانشمندان بر این باورند که اکثر قرصهای پیش سیارهای تشکیلدهنده سیاره، دورهای از چنین تشعشعات فرابنفش شدیدی را پشت سر میگذارند، زیرا ستارگان تمایل دارند در گروههایی تشکیل شوند که اغلب شامل ستارگان پرجرم و مولد فرابنفش هستند. به طرز شگفت انگیزی، شواهد به دست آمده از شهابسنگها نشان میدهد که قرص پیشسیارهای که منظومه شمسی ما را تشکیل میدهد نیز در معرض مقدار زیادی از تابش فرابنفش بوده است، که توسط همدم ستارهای خورشید ما که مدتهاست مرده، ساطع شده است (ستارههای عظیم به شدت میسوزند و بسیار سریع میمیرند. سریعتر از ستارههای کم جرم).
گروهی که این تحقیق را انجام داد ممکن است راه حل این معما را پیدا کرده باشد. کار آنها پیشبینی میکند که حضور CH3+ در واقع به تابش فرابنفش مرتبط است که منبع انرژی لازم برای تشکیل CH3+ را فراهم میکند. علاوه بر این، به نظر میرسد دوره تابش فرابنفش که توسط بعضی قرصها تجربه میشود تأثیر عمیقی بر شیمی آنها داشته باشد. برای مثال، رصدهای وب از قرصهای پیشسیارهای که در معرض تشعشعات شدید فرابنفش از منبع نزدیکی نیستند، فراوانی آب را نشان میدهد – برخلاف d203-506، جایی که گروه به هیچ وجه نتوانست آب را تشخیص دهد. نویسنده اصلی، اولیویه برنه از دانشگاه تولوز، فرانسه، توضیح میدهد: «این به وضوح نشان میدهد که تابش فرابنفش میتواند به طور کامل شیمی قرص پیشسیارهای را تغییر دهد.
اگرچه تحقیقات منتشر شده در اوایل دهه 1970 اهمیت CH3+ را پیش بینی کرد، اما قبلاً تشخیص آن تقریباً غیرممکن بود. بسیاری از مولکولها در قرصهای پیش سیاره ای با استفاده از تلسکوپهای رادیویی مشاهده میشوند. با این حال، برای امکانپذیر شدن این امر، مولکولهای مورد نظر باید دارای چیزی باشند که به عنوان «ممان دوقطبی دائمی» شناخته میشود، به این معنی که هندسه مولکول به گونهای است که بار الکتریکی آن برای همیشه از تعادل خارج میشود و مولکول دارای انتهاهای دارای بار مثبت و منفی میشود. CH3+ متقارن است و بنابراین بار آن متعادل است و بنابراین فاقد گشتاور دوقطبی دائمی لازم برای رصد با تلسکوپهای رادیویی است. از نظر تئوری رصد خطوط طیفسنجی ساطع شده توسط CH3+ در مادون قرمز امکانپذیر است، اما جو زمین اساساً رصد این خطوط را از زمین غیرممکن میکند. بدین ترتیب، لازم بود از تلسکوپ فضایی به اندازه کافی حساسی استفاده شود که بتواند سیگنالهای مادون قرمز را مشاهده کند. ابزارهای NIRSpec ، بخشی از مشارکت اروپا در Webb، و MIRI ، که نیمی از آن توسط اروپا مشارکت شده بود، برای این کار عالی بودند. در واقع، تشخیص CH3+ قبلا آنقدر مبهم بود که وقتی گروه برای اولین بار سیگنال را در دادههای خود دید، مطمئن نبودند که چگونه آن را شناسایی کنند. شایان ذکر است، این گروه توانست با استفاده از تخصص گروهی بینالمللی با طیف وسیعی از تخصصها، نتایج خود را در عرض چهار هفته کوتاه تفسیر کند.
کشف CH3+ تنها از طریق همکاری اخترشناسان رصدی، مدلسازان نجومی، نظریهپردازان و طیفنگاران تجربی امکانپذیر بود که قابلیتهای منحصربهفرد JWST در فضا را با آزمایشگاههای زمینی به منظور بررسی و تفسیر موفقیتآمیز ساختار و تکامل دنیای محلی ما ترکیب کردند. ماری-آلین مارتین میافزاید: «کشف ما تنها به این دلیل امکانپذیر شد که ستارهشناسان، مدلسازان، و طیفنگارهای آزمایشگاهی برای درک ویژگیهای منحصربهفرد رصد شده توسط جیمز وب، نیروهای خود را متحد کردند.
نتایج گروه PDRs4ALL ERS امروز در Nature منتشر شده است.
