الكيمياء الفلكية

سبقت الملاحظات المبكرة للأطياف الشمسية التي أجراها أثناسيوس كيرشر (1646)، ويان ماريك مارسي (1648)، وروبرت بويل (1664)، وفرانشيسكو ماريا غريمالدي (1665) برهان إسحاق نيوتن عام 1666 على الطبيعة الطيفية للضوء، والذي أدى إلى اختراع أول مطياف . ^{[ 2 ]} وطُبِّق علم الأطياف لأول مرة في علم الفلك عام 1802، عندما استخدم ويليام هايد ولاستون مطيافًا لرصد الخطوط الداكنة في الطيف الشمسي. ^{[ 3 ]} وقد قاس جوزيف فون فراونهوفر هذه الخصائص لاحقًا بالتفصيل .

في عام 1835، أثبت تشارلز ويتستون أن المعادن المختلفة تُنتج أطياف انبعاث مميزة عند إشعالها، مما يُبرهن على إمكانية استخدام الخطوط الطيفية لتحديد العناصر الكيميائية. ^{[ 4 ]} وفي أعمال لاحقة، أثبت ليون فوكو (1849) وأندرس جوناس أنغستروم (1853) أن المادة نفسها تُنتج خطوط امتصاص وانبعاث متطابقة ، مما وضع الأساس لتحديد العناصر الكيميائية من خلال التحليل الطيفي .

ازدادت الأهمية النظرية لهذه الملاحظات مع اكتشاف يوهان بالمر أن الخطوط الطيفية للهيدروجين تتبع نمطًا تجريبيًا بسيطًا، يُعرف الآن باسم سلسلة بالمر . وقد عُممت هذه العلاقة لاحقًا بواسطة صيغة ريدبيرغ التي وضعها يوهانس ريدبيرغ عام 1888، مما مكّن من حساب الخطوط الطيفية للعديد من العناصر. ^{[ 5 ]} ومع ظهور ميكانيكا الكم ، أصبح من الممكن اشتقاق هذه القوانين التجريبية من المبادئ الأساسية، مما سمح بالتنبؤ المسبق بالأطياف الذرية والجزيئية ، ووفر الإطار النظري الذي يقوم عليه علم الأطياف الكيميائية الفلكية الحديث.

على الرغم من ظهور علم الفلك الراديوي في ثلاثينيات القرن العشرين، لم يُحصل على أول دليل ملموس على وجود جزيء بين النجوم إلا في عام 1937، عندما حدد سوينغز وروزنفيلد خصائص طيفية تُعزى إلى أنواع جزيئية. ^{[ 6 ]} حتى ذلك الحين، لم يكن معروفًا سوى وجود أنواع ذرية في الفضاء بين النجوم. وقد تأكدت هذه النتيجة في عام 1940، عندما نسب ماكيلار وآخرون خطوطًا طيفية لم تكن معروفة سابقًا إلى جزيئات CH وCN في الوسط بين النجوم. ^{[ 7 ]}

على مدى العقود الثلاثة التالية، تم اكتشاف جزيئات إضافية بين النجوم. ومن بين أهمها جزيء الهيدروكسيل (OH)، الذي اكتُشف عام 1963، والذي يُعدّ مصدراً مهماً للأكسجين بين النجوم ، ^{[ 8 ]} وجزيء الكربونيل (H2CO ₎ ( الفورمالديهايد )، الذي اكتُشف عام 1969، والذي يُعتبر أول جزيء عضوي متعدد الذرات يُرصد في الفضاء بين النجوم. ^{[ 9 ]}

فسّر بعض الباحثين اكتشاف الفورمالديهايد، ولاحقًا جزيئات أخرى ذات أهمية بيولوجية محتملة، كالماء وأول أكسيد الكربون ، على أنه يدعم فرضيات التكوين غير الحيوي التي تفترض أن المكونات الجزيئية الأساسية للحياة قد نشأت في الفضاء. وقد حفّز هذا الأمر استمرار البحث عن جزيئات بين النجوم ذات أهمية بيولوجية، بما في ذلك الجليسين بين النجوم ، الذي تم الإبلاغ عنه في مذنب داخل النظام الشمسي عام 2009، ^{[ 10 ]} وجزيئات تُظهر خصائص ذات صلة بيولوجية كالكيرالية ، كما يتضح من اكتشاف أكسيد البروبيلين بين النجوم عام 2016. ^{[ 11 ]} وقد تزامنت هذه الاكتشافات مع التطور الأوسع لأبحاث الكيمياء الفلكية الحديثة.

لعلّ أقوى التقنيات المستخدمة في رصد الأنواع الكيميائية الفردية في الوسط بين النجوم هي علم الفلك الراديوي ، الذي كشف عن أكثر من مئة نوع كيميائي في هذا الوسط ، بما في ذلك الجذور الحرة والأيونات والجزيئات العضوية (أي الكربونية ) مثل الألدهيدات والكيتونات . يُعدّ أول أكسيد الكربون (CO ) من أكثر الجزيئات وفرةً في الوسط بين النجوم، ومن أسهلها رصدًا باستخدام الموجات الراديوية نظرًا لعزمه الكهربائي ثنائي القطب القوي . يتميز أول أكسيد الكربون بشيوعه وسطوعه، ما يجعله يُستخدم على نطاق واسع لرسم خرائط المناطق الجزيئية في المجرات. ^{[ 12 ]} كان الفورمالديهايد أول جزيء عضوي يُرصد في الوسط بين النجوم باستخدام تقنيات الراديو ، وهو ما فتح آفاقًا جديدة لدراسة الكيمياء العضوية في هذا الوسط.

من أكثر عمليات الرصد الراديوي التي نوقشت هي الرصد المزعوم للجليسين بين النجوم ، ^{[ 13 ]} وهو أبسط الأحماض الأمينية ، وهي نتيجة لا تزال مثيرة للجدل. ^{[ 14 ]} تُعدّ تقنيات الراديو والتقنيات ذات الصلة، مثل التحليل الطيفي الدوراني، فعّالة بشكل خاص في تحديد الأنواع البسيطة نسبيًا ذات العزوم ثنائية القطب الكبيرة ، ولكنها أقل حساسية للجزيئات الأكثر تعقيدًا، حتى تلك التي لا يزيد حجمها إلا قليلاً عن حجم الأحماض الأمينية.

يستكشف علم الفلك بالأشعة تحت الحمراء التحولات الاهتزازية في الجزيئات، وهو مفيد بشكل خاص في الكشف عن مجموعة واسعة من المركبات العضوية وغير العضوية. تمتص العديد من المركبات العضوية الأشعة تحت الحمراء وتبعثها بقوة، لذا يُستخدم التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء لدراسة كل من الجزيئات بين النجوم والأغلفة الجوية للكواكب. على سبيل المثال، تم الكشف عن غاز الميثان في الغلاف الجوي للمريخ باستخدام تلسكوب أرضي يعمل بالأشعة تحت الحمراء، وهو تلسكوب ناسا للأشعة تحت الحمراء بقطر 3 أمتار، الموجود على قمة ماونا كيا في هاواي. ^{[ 15 ]} كما استخدمت ناسا تلسكوب SOFIA المحمول جواً وتلسكوب سبيتزر الفضائي لإجراء عمليات رصد كيميائية فلكية. ^{[ 16 ] [ 17 ]}

كشفت مطيافية الأشعة تحت الحمراء أن الوسط بين النجوم يحتوي على مجموعة من مركبات الكربون الغازية المعقدة تُسمى الهيدروكربونات العطرية متعددة الحلقات (PAHs أو PACs). تُعدّ هذه الجزيئات، المكونة أساسًا من حلقات كربون متصلة (في حالتيها المتعادلة أو المتأينة)، أكثر أنواع مركبات الكربون شيوعًا في المجرة ، وهي وفيرة في الغبار الكوني والنيازك ومواد المذنبات والكويكبات. العديد من هذه المركبات، إلى جانب الأحماض الأمينية والقواعد النيتروجينية والمواد العضوية الأخرى في النيازك، غنية بالديوتيريوم ونظائر نادرة من الكربون والنيتروجين والأكسجين، مما يشير إلى أصل خارج الأرض. يُعتقد أن الهيدروكربونات العطرية متعددة الحلقات تتشكل في بيئات ساخنة محيطة بالنجوم العملاقة الحمراء المحتضرة والغنية بالكربون .

استُخدمت عمليات الرصد بالأشعة تحت الحمراء أيضًا لتقييم تركيب المواد الصلبة في الوسط بين النجوم، بما في ذلك السيليكات ، والمواد الصلبة الغنية بالكربون الشبيهة بالكيروجين، والجليد . وعلى عكس الضوء المرئي، الذي يتشتت أو يمتص بشدة بواسطة الجسيمات الصلبة، يمكن للأشعة تحت الحمراء أن تخترق الحبيبات المجهرية بين النجوم، ولكنها تُمتص عند أطوال موجية محددة تميز تركيبها. ^{[ 18 ]}

تُكتشف بعض الأنواع الكيميائية الفلكية الرئيسية بسهولة أكبر عند أطوال موجات الأشعة فوق البنفسجية أو المرئية. جزيء الهيدروجين ( _H₂ )، وهو أكثر الجزيئات وفرة في الكون، لا يمتلك عزم ثنائي قطب دائم ، ولذلك فهو غير مرئي للتلسكوبات الراديوية. مع ذلك، يمكن رصده في نطاق الأشعة فوق البنفسجية والمرئية من خلال خصائص امتصاصه وانبعاثه المميزة، بما في ذلك خط الهيدروجين . تُكمّل عمليات الرصد بالأشعة فوق البنفسجية والمرئية قياسات الراديو والأشعة تحت الحمراء من خلال استكشاف ظروف إثارة مختلفة وتتبع الأنواع التي يصعب رصدها بطرق أخرى.

تواجه جميع تقنيات التحليل الطيفي قيودًا هامة. فالتحليل الطيفي الراديوي والدوراني لا يرصد الجزيئات التي لا تمتلك عزمًا ثنائي القطب، مثل الهيدروجين (H₂ ₎ ، وعمومًا يكون أقل حساسية للجزيئات الكبيرة والمعقدة. كما أن الطرق الطيفية التي تعتمد على انتقالات الطور الغازي لا تستطيع رصد الأنواع المتجمدة على الحبيبات. في السحب الجزيئية الكثيفة، حيث تتراوح درجات الحرارة عادةً بين 10 و50 كلفن (-263.1 إلى -223.2 درجة مئوية؛ -441.7 إلى -369.7 درجة فهرنهايت) ، تكون معظم الجزيئات، باستثناء الهيدروجين، في الحالة الصلبة، مُشكّلةً طبقات رقيقة من الجليد على جزيئات الغبار. في هذه الجليديات، يتحكم الهيدروجين المتاح في التفاعلات الكيميائية الأولية: يميل الهيدروجين الذري إلى إنتاج أنواع "مُختزلة" مثل الماء (H₂O) _{والميثان} (CH₄ ₎ والأمونيا (NH₃ ₎ ، بينما يسمح الهيدروجين الجزيئي في الغالب للذرات الأثقل بتكوين أنواع مثل أول أكسيد الكربون (CO) وثاني أكسيد الكربون (CO₂) والسيانيد ₍ CN). تُعالَج هذه الجليديات ذات الجزيئات المختلطة بواسطة الأشعة فوق البنفسجية والأشعة الكونية ، مما يُحفِّز تفاعلات كيميائية معقدة ناتجة عن الإشعاع. ^{[ 18 ]} وقد أنتجت التجارب المخبرية على الكيمياء الضوئية لنظائر بسيطة من الجليد بين النجوم أحماضًا أمينية، ^{[ 19 ]} واستُخدمت أوجه التشابه بين الجليد بين النجوم والجليد المذنبي، إلى جانب مقارنات المركبات الغازية، للدلالة على وجود صلة بين الكيمياء بين النجوم والكيمياء المذنبية. وتدعم نتائج تحليل المواد العضوية في العينات التي أعادتها مهمة ستاردست هذه الروابط، بينما تُشير أيضًا إلى مساهمة كبيرة من الكيمياء ذات درجات الحرارة العالية في السديم الشمسي.   

يركز مجال بحثي رئيسي على تكوين الجزيئات على أسطح حبيبات الغبار بين النجوم. تسمح درجات الحرارة المنخفضة في السحب الكثيفة بتراكم الذرات والجذور الحرة البسيطة على الحبيبات، حيث تحدث التفاعلات عبر آليات مثل النفق الكمومي. ^{[ 21 ]} تؤثر هذه العمليات على مخزون الجزيئات الموجودة في السحابة الجزيئية التي تشكل منها النظام الشمسي ، مما يساهم في التركيب الكيميائي الغني بالكربون للمذنبات والكويكبات والنيازك وجزيئات الغبار بين النجوم.

في السحب الكثيفة، تتشكل طبقات رقيقة من الجليد على حبيبات الغبار. وتعتمد التركيبة الكيميائية لهذه الجليديات بشكل كبير على شكل الهيدروجين الموجود: يميل الهيدروجين الذري إلى إنتاج أنواع مُختزلة مثل الماء (H₂O) _{والميثان} (CH₄ ₎ والأمونيا (NH₃ ₎ ، بينما يسمح الهيدروجين الجزيئي للذرات الأثقل بتكوين أنواع مثل أول أكسيد الكربون (CO) وثاني أكسيد الكربون (CO₂) _{والسيانيد} (CN). ويُحفز الإشعاع فوق البنفسجي والأشعة الكونية عملياتٍ إضافية، مُنتجةً مركبات عضوية أكثر تعقيدًا. ^{[ 18 ]} وقد أنتجت تجارب الكيمياء الضوئية المخبرية على نظائر جليدية بسيطة أحماضًا أمينية، ^{[ 22 ]} مما يدعم فكرة إمكانية تكوّن جزيئات ما قبل الحياة في الجليد بين النجوم.

تسمح الكثافة المنخفضة للفضاء بين النجوم والكواكب بحدوث تفاعلات كيميائية غير اعتيادية في الحالة الغازية. فالعديد من التفاعلات المحظورة تناظريًا في الظروف الأرضية يمكن أن تحدث على مدى فترات زمنية طويلة، ^{[ 23 ]} مما يُتيح تكوين جزيئات وأيونات غير مستقرة على الأرض. ومن الأمثلة البارزة على ذلك أيون الهيدروجين ₍ H3 ⁺ )، الذي يلعب دورًا محوريًا في تفاعلات الأيونات والجزيئات بين النجوم.

يتداخل علم الكيمياء الفلكية مع الفيزياء الفلكية والفيزياء النووية في دراسة الجزيئات المتكونة في البيئات النجمية. تُنتج التفاعلات النووية في باطن النجوم عناصر جديدة، يمكن نقلها إلى السطح عبر عمليات الاستخراج في النجوم ذات الأغلفة الحملية. إذا تعرضت هذه النجوم لفقدان كبير في الكتلة، فقد تحتوي رياحها على جزيئات يمكن رصد انتقالاتها الدورانية والاهتزازية باستخدام التلسكوبات الراديوية والأشعة تحت الحمراء.

تُقدّم النجوم الغنية بالكربون مثالاً بارزاً: فمع احتراق الهيليوم الذي يجلب الكربون إلى السطح، يتغير التركيب الجزيئي للرياح النجمية بشكل كبير، مما ينتج عنه أنواع مثل السيليكات وجليد الماء في أغلفة النجوم الخارجية. ^{[ 24 ] [ 25 ]}

يركز علم الكيمياء الفلكية الحديث بشكل أساسي على رصد وتكوين الجزيئات العضوية المعقدة. وقد أظهرت الملاحظات أن الغبار الكوني يحتوي على مواد صلبة عضوية غير متبلورة ذات بنى عطرية وأليفاتية مختلطة ، ^{[ 26 ] [ 27 ] [ 28 ]} وأن الهيدروكربونات العطرية متعددة الحلقات (PAHs) منتشرة على نطاق واسع في جميع أنحاء الكون. وقد تشكل هذه الهيدروكربونات أكثر من 20% من الكربون الكوني ، وقد اقتُرحت كمركبات أولية محتملة للأحماض الأمينية والنيوكليوتيدات . ^{[ 29 ]}

أبرزت العديد من الاكتشافات المهمة الأهمية الكيميائية الفلكية للمركبات العضوية المعقدة. ففي عام 2012، أبلغ علماء الفلك عن رصد سكر الجليكول ألدهيد البسيط حول النظام النجمي الأولي IRAS 16293–2422، ^{[ 30 ] [ 31 ]} مما يشير إلى إمكانية تكوّن جزيئات ذات أهمية بيولوجية قبل تكوّن الكواكب نفسها. وفي عام 2015، ^رصدت المركبة الفضائية فيلاي ستة عشر مركباً عضوياً على المذنب 67P، بما في ذلك الأسيتاميد والأسيتون وميثيل إيزوسيانات والبروبيونالدهيد . ^{[ 32 ] [ 33 ]} [ ^{34 ]}

في عام 2023، تم رصد سيانيد الهيدروجين وجزيئات عضوية أخرى في أعمدة الدخان المنبعثة من إنسيلادوس ، أحد أقمار زحل ، مما يشير إلى احتمال وجود بيئات غنية كيميائياً قادرة على دعم عمليات التخليق العضوي المعقدة في المحيطات الجوفية. ^{[ 35 ] [ 36 ] [ 37 ]}

أتاحت المرافق الحديثة، مثل مصفوفة أتاكاما الكبيرة للمليمتر/دون المليمتر (ALMA)، رسم خرائط عالية الدقة لتوزيع الجزيئات في المذنبات والأجرام الأخرى. في عام 2014، كشفت رصدات ALMA عن التوزيع المكاني لـ HCN و HNC وH₂CO والغبار _في غلاف المذنبين C / 2012 F6 (ليمون) وC/2012 S1 (آيسون). ^{[ 38 ] [ 39 ]}

شهدت النمذجة الكيميائية الفلكية تطورًا ملحوظًا. تستخدم النماذج الديناميكية الحرارية التي طورها دولوماتوف وزملاؤه نظرية الاحتمالات والديناميكا الحرارية للتوازن لتقدير توزيع الجزيئات العضوية في الوسط بين النجوم. ^{[ 40 ] [ 41 ]} <ref name="abundance of chemical elements3