اخترشیمی

[z.b 6,335]

 

اخترشیمی مطالعه‌ی فراوانی و واکنش‌های عناصر شیمیایی و مولکول‌ها در جهان و برهم‌کنش آن‌ها با پرتوافشانی است. این رشته علمی در تعامل با نجوم و شیمی است. کلمه‌ی اخترشیمی (Astrochrmestry) هم می‌تواند در مورد منظومه‌ی شمسی و هم برای فضای بین ستاره‌ای مورد استفاده قرار گیرد. مطالعه‌ی فراوانی عناصر و درصد ایزوتوپ‌ها در اجرام موجود در منظومه‌ی شمسی مانند شهاب سنگ‌ها شیمی کیهانی نیز خوانده می‌شود، همچنین گاهی مطالعه‌ی اتم‌ها و مولکول‌های بین ستاره‌ای و برهم‌کنش آن‌ها با پرتوافشانی اخترفیزیک مولکولی خوانده می‌شود. ساختار، ترکیب اتمی و شیمیایی، تحول و سرانجام ابرهای گازی مولکولی موارد جالب و خاصی هستند چرا که به دلیل این ابرها است که منظومه‌های شمسی شکل می‌گیرند.

 

 

 

طیف‌ سنجی

 

یک ابزار مهم آزمایشگاهی در اخترشیمی، طیف سنجی و استفاده‌ی تلسکوپ‌ها برای اندازه‌گیری جذب و نشر نور از مولکول‌ها و اتم‌ها در محیط‌های مختلف است، با مقایسه‌ی مشاهدات نجومی با اندازه‌گیری‌های آزمایشگاهی اخترشیمیدان‌ها می‌توانند فراوانی عناصر، ترکیبات شیمیایی و دمای ستاره‌ها و ابرهای بین ستاره‌ای را استنتاج کنند. این امر به دلیل طیف‌های منحصر به فرد یون‌ها، اتم‌ها و مولکول‌ها می‌باشد: این طیف‌ها، جذب و نشر طول موج‌های مشخصی از نور هستند که غالبا قابل دید چشم انسان نیستند. البته این اندازه‌گیری‌ها محدودیت‌هایی دارند؛ با وجود انواع مختلف پرتوها (رادیو، مادون قرمز، مرئی، فرابنفش و ...) توانایی شناسایی تنها انواع مشخصی از این گونه‌ها، وابسته به ویژگی‌های شیمیایی مولکول‌ها وجود دارد. فرمالدهید بین ستاره‌ای اولین مولکول آلی چند اتمی بود که در فواصل بین ستاره‌ای شناسایی شد.

 

شاید قدرتمندترین روش شناسایی مولکول‌های تک اخترشناسایی رادیویی باشد که سبب شناسایی بیش از صد گونه‌ی بین ستاره‌ای شامل رادیکال‌ها و یون‌ها و ترکیبات آلی مانند الکل‌ها، اسیدها، آلدهیدها و کتون‌ها شده است. یکی از فراوان‌ترین مولکول‌های بین ستاره‌ای و در زمره‌ی راحت‌ترین موارد شناسایی توسط امواج رادیویی (به دلیل ممان دو قطبی الکتریکی قوی آن)، CO (کربن مونو اکسید) می‌باشد. در حقیقت، CO یک مولکول بین ستاره‌ای معمول است که برای مرتب کردن نواحی مولکولی مورد استفاده قرار می‌گیرد. شاید جالب‌ترین مشاهدات رادیویی انسان به گلیسین بین ستاره‌ای (COOH(NH₂)CH₂)، ساده‌ترین آمینواسید بوده است که در این رابطه بحث بسیاری وجود داشته است. یکی از دلایلی که چرا شناسایی این ترکیب بحث برانگیز بوده است این است که اگرچه رادیو (یا برخی روش‌های دیگر نظیر طیف سنجی چرخشی) برای شناسایی گونه‌های ساده با ممان دوقطبی زیاد خوب هستند، آن‌ها برای مولکول‌های پیچیده‌تر یا حتی برخی ترکیبات نسبتا کوچک مثل آمینو‌اسیدها دقت کمی دارند.

 

 

علاوه بر این، این روش‌ها کاملا نسبت به مولکول‌هایی که ممان دوقطبی ندارند کور هستند. برای مثال، تاکنون رایج‌ترین مولکول در جهان H₂ (گاز هیدروژن) است، ولی این مولکول ممان دوقطبی ندارد بنابراین برای تلسکوپ‌های رادیویی نامریی است. همچنین این روش‌ها نمی‌توانند گونه‌هایی که در فاز گازی نیستند را شناسایی کنند. به این دلیل که ابرهای مولکولی چگال بسیار سرد هستند (10-15K=-263 to -233C=-440 to -370F) اکثر مولکول‌ها در آن‌ها (غیر از هیدروژن) منجمد هستند. در عوض، هیدروژن و این مولکول‌های دیگر با استفاده از طول موج‌های دیگر نور شناسایی شده‌اند. هیدروژن به آسانی در نور فرابنفش (UV) و محدوده‌های مریی جذب و نشر نور توسط خودش قابل شناسایی قابل شناسایی است. همچنین، اکثر ترکیبات آلی نور را بصورت مادون قرمز (IR) جذب و نشر می‌کنند، بنابراین، شناسایی اخیر متان در اتمسفر مریخ، نتیجه استفاده از تلسکوپ زمینی IR، تاسیسات تلسکوپ مادون قرمز 3 متری NASA بر روی مایوناکی در هاوایی بود. ناسا همچنین یک تلسکوپ IR هوایی به نامSOFIA و یک تلسکوپ IR فضایی به نامSpitzer دارد.

 

 

 

اخترشناسی مادون قرمز همچنین معلوم کرده است که فضای بین ستاره‌ای شامل یک سری ترکیبات کرین گازی پیچیده به نام هیدروکربن‌های پلی‌آروماتیک است که معمولا به صورت اختصار PAH یا PAC نامیده می‌شوند. این مولکول‌ها که اکثرل از حلقه‌های کربن برانگیخته (همچنین حالات بی‌ اثر و یونیزه) ایجاد شده‌اند، گفته می‌شود که معمول‌ترین ترکیبات کربن در کهکشان هستند. آن‌ها همچنین معمول‌ترین گروه مولکول‌های کربنی در شهاب‌سنگ‌ها و اجزای ستاره‌های دنباله دار و غبار ستاره‌ای هستند.این ترکیبات، به اندازه‌ی آمینو‌اسید‌ها، بازهای نوکلئوتیدی و ترکیبات بسیار دیگر موجود در شهاب سنگ‌ها، دوتریم و ایزوتوپ‌های کربن، نیتروژن و اکسیژن را که با توجه به ریشه‌های فرازمینی بر روی زمین بسیار نایاب هستند در خود حل می‌کنند. این گونه فرض شده است که PAH‌ها در فضای داغ اطراف ستاره‌ای تشکیل می‌شوند. (اطراف ستاره‌های سرخ و بزرگ غنی از کربن که در حال مردن هستند)

 

اخترشناسی مادون قرمز همچنین برای نشان دادن ترکیب مواد جامد در فضای بین ستاره‌ای که شامل سیلیکات‌ها، جامدهای غنی از کربن و کروژن مانند و یخ‌ها می‌شوند استفاده می‌شود. این امر به این دلیل است که برخلاف نور مریی که توسط اجزای جامد نشر یا جذب می‌شود، پرتو IR می‌تواند از ذرات بین ستاره‌ای میکروسکوپی عبور کند ولی در این فرایند جذب‌هایی در طول موج‌های مشخص که شاخصه‌ی ترکیبات موجود در ذرات هستند وجود دارند. مانند مطالب بالا درباره‌ی اخترشناسی رادیویی محدودیت‌هایی نیز در IR وجود دارد، برای مثال شناسایی N­₂ چه توسط IR و چه توسط اخترشناسی رادیویی بسیار سخت است.

 

چنین مشاهداتی در IR مشخص کرده است که در ابرهای چگال (جایی که ذرات کافی برای ضعیف کردن پرتو مخرب UV را دارد) پوشش نازک یخی ذرات میکروسکوپی را فرا می‌گیرد و سبب ایجاد برخی خواص شیمیایی در دمای پایین می‌شود. به این دلیل که هیدروژن تاکنون فراوان‌ترین مولکول در جهان است، خواص شیمیایی در ابتدایی این یخ‌ها توسط خواص شیمیایی هیدروژن تعیین می‌شود. اگر هیدروژن اتمی باشد، سپس اتم‌های H با اتم‌های O، C و N موجود واکنش می‌دهند و تولید گونه‌های کاهیده‌ی H­₂O، CH₄ و NH₃ می‌کند. البته، اگر هیدروژن مولکولی و همچنین غیرفعال باشد، باعث می‌شود که اتم‌های سنگین‌تر با هم واکنش دهند یا بصورت متصل به هم باقی بمانند و تولید CO، CO₂ و CN و... کنند. این یخ‌های مخلوط مولکولی در معرض پرتوهای فرابنفش و پرتوهای کیهانی قرار گرفتند که خواص شیمیایی گرفته شده از پرتوهای پیچیده را نتیجه داد. تجارب آزمایشگاهی بر روی نورشیمی از یخ‌های ساده‌ی بین ستاره‌ای آمینواسیدها را تولید کرده است. تشابه میان یخ‌های بین ستاره‌ای و اجزای ستاره‌ی دنباله دار (مانند مقایسه‌ی ترکیبات فاز گازی) به عنوان سند نشان دهنده‌ی رابطه میان خواص شیمیایی بین ستاره‌ای و اجزای ستاره‌ی دنباله دار می‌باشد. این مطلبی است که به وسیله‌ی نتایج آنالیزهای مواد آلی از نمونه‌های ستاره‌ی دنباله دار که توسط ماموریت سفینه‌ی Stardust برگردانده شده بود تایید می‌شد ولی مواد معدنی همچنین سهم شگفت آوری از خواص شیمیایی دمای بالا در سحابی خورشیدی را آشکار ساخت.

 

 

تحقیقات علمی

 

تحقیقات به سمتی رو به رشد هستند که کدام مولکول‌های بین ستاره‌ای و متعلق به اجزای ستاره‌ی دنباله دار تشکیل می‌شوند و قابلیت فعل و انفعال دارند، و این تحقیق می تواند تاثیری عمیق در فهم ما از سری مولکول‌هایی که در ابر مولکولی در زمان تشکیل منظومه‌ی خورشیدی ما وجود داشتند داشته باشد که این مطلب بر شناخت شیمی مواد غنی از کربن درون ستاره‌های دنباله دار و سیارک‌ها و از این رو شهاب سنگ‌ها و ذرات غبار بین ستاره‌ای که هر روزه با مقیاس تن به زمین سقوط می‌کنند تاثیر دارد.

 

 

پراکندگی فضای بین ستاره‌ای و بین سیاره‌ای نوعی شیمی غیر معمول را نتیجه می‌دهد، که به دلیل واکنش‌های غیر قابل تشابهی است که فقط در طولانی‌ترین مقیاس‌های زمانی انجام می‌شوند. به این دلیل مولکلول‌ها و یون‌های مولکولی که بر روی زمین ناپایدار هستند می‌توانند در فضا بسیار فراوان باشند مانند یون مثبت H₃.

 

اخترشیمی در تعامل با اخترفیزیک و فیزیک هسته‌ای در شناسایی واکنش‌های هسته‌ای است که در زمینه‌ی تکامل ستاره‌ای و ایجاد ستاره‌ها رخ می‌دهد. در حقیقت واکنش‌های هسته‌ای در ستاره‌ها تمام عناصر طبیعی را تولید می‌کنند. با افزایش ایجاد ستاره‌ها، میزان عناصر تشکیل شده افزایش می‌یابد. نسل اول ستاره‌ها از هیدروژن عنصری به عنوان منبعی برای تولید هلیوم (He) استفاده کردند. هیدروژن فراوان‌ترین عنصر است و پایه‌ی ایجاد تمامی عناصر دیگر است زیرا هسته‌ی این عنصر فقط یک پروتون دارد. فشار جاذبه‌ای به مرکز ستاره گرما و فشار بسیار زیادی ایجاد می‌کند که سبب ایجاد همجوشی هسته‌ای می‌شود. در خلال فرایند الحاق جرم اتمی، عناصر سنگین‌تر تشکیل می‌شوند. کربن، اکسیژن و سیلیسیم نمونه‌هایی از عناصری هستند که در همجوشی درون ستاره‌ها تولید می‌شوند. بعد از ایجاد ستاره‌های فراوان، عناصر بسیار سنگین تشکیل شدند (برای مثال آهن و سرب). در باب مبحث گسترده‌ی اختر شیمی بسیار می‌توان سخن گفت ولی بحث بیشتر در این زمینه را به علاقه مندان واگذار می‌کنیم. امیدوارم که این مقدمه‌ی ناچیز شما را نسبت به این شاخه‌ی جالب از شیمی علاقه‌مند کرده باشد.

 

منبع: دانشنامه رشد