این گاز است. تصویری موزاییکی از ابر مولکولی ثور که در چندین طول‌موج فروسرخِ دور تصویربرداری شده است. نتایج تجربی جدید [علت] ماندگاری مولکول‌های آلی کوچک خاص را که در این ابر و دیگر ابرها آشکارسازی شده نشان می‌دهند.

مولکول‌های آلی که هیدروکربن‌های آروماتیک چندحلقه‌ای نامیده می‌شوند (PAHs) در فضای میان‌ستاره‌ای پراکنده‌اند و انباری از کربن، عنصری ضروری برای حیات، را فراهم می‌کنند. کوچک‌ترینِ این مولکول‌ها به شکل مرموزی در محیط خشن فضا باقی می‌ماند و اکنون گروه تحقیقات توضیح داده که چه‌طور این کار انجام می‌شود [۱]. گروه طی آزمایش‌هایی در شرایط مشابه فضا نشان داد که مولکول‌ها می‌توانند از فرایندی به نام فلورسانس بازگشتی برای بیرون ریختن مقداری از انرژی ارتعاشی بالقوه مخربی که از فوتون‌های فرابنفش و برخوردهای مولکولی دریافت می‌کند، استفاده کنند. این نتایج به نظریه‌پردازان کمک می‌کند تا چگونگی انتشار بلوک‌های سازنده حیات در سراسر کیهان را مدل‌سازی کنند.

PAHها در ستاره‌های درحالِ‌مرگ تشکیل می‌شوند و با ابرنواخترها به محیط میان‌ستاره‌ای پرتاب می‌شوند. آنها در سال ۲۰۲۱ در ابرهای سرد میان‌ستاره‌ای (ابرهای مولکولی) شناسایی شدند و از آن زمان رصدخانه JWST شواهد گسترده‌ای را مبنی بر وجود PAHهای کوچک با فراوانی بالاتر از پیش‌بینی مدل تأیید کرده است. PAHهای کوچک به طریقی از تابش فرابنفش، برخوردهای مولکولی و دیگر فرایندهایی که باعث آغاز ارتعاشات درونی‌ای می‌شود که می‌تواند آنها را دچار فروپاشی کنند، جان به در می‌برند.

ایلسا کوک، اخترشیمی‌دان در دانشگاه بریتیش کلمبیا در کانادا، می‌گوید: «یکی از بزررگ‌ترین معماهای کنونی اخترشیمی این است که چگونه PAHها می‌توانند امکان وجود» در فضای میان‌ستاره‌ای داشته باشند. PAHهای کوچک به نحوی انرژی ارتعاشی اضافی خود را از دست داده یا «سرد می‌شوند» و به این ترتیب از واپاشی جلوگیری می‌کنند. به گفته جیمز بول از دانشگاه ایست آنجلیا (East Anglia) در انگلیس، جامعه نجومی عموماً بر این باور بود که فقط PAHهای بزرگ – آنهایی که ۵۰ اتم کربن یا بیشتر دارند – می‌توانند باقی بمانند. بیشتر مدل‌ها فرض می‌کنند که چنین مولکول‌های بزرگی با تابش فروسرخ خنک می‌شوند، اما این فرایند که به اصطلاح خنک‌سازی تابشی نامیده می‌شود برای مولکول‌های کوچک‌تر به طور مؤثر کار نمی‌کند.

کاملاً آلی. اخترشناسان رادیویی ایندن، که دارای کربن (سبزآبی) و هیدروژن (سفید) است،‌ را در نواحی سرد و چگال ابر مولکولی ثور ۱ شناسایی کرده‌اند.

آزمون‌های آزمایشگاهی روش‌های دیگری را نشان داده‌اند که طی آن برخی PAHهای کوچک می‌توانند انرژی آزاد کنند؛ این فرایند فلورسانس بازگشتی نامیده می‌شود: یک مولکول برانگیخته مرتعش می‌تواند خود را به حالت برانگیخته الکترونیکی ارتقاء دهد و سپس فوتونی گسیل کند که بخش زیادی از انرژی ارتعاشی آن را با خود می‌برد. این فرایند می‌تواند چند میلی‌ثانیه طول بکشد در حالی که فلورسانس معمولی – که در آن یک فوتون جذب و سپس به‌سرعت گسیل می‌شود – چند نانوثانیه طول می‌کشد.

اما مطالعات آزمایشگاهی فقط PAHهای با پوسته باز را بررسی کرده‌اند، که الکترون‌های والانس جفت‌شده ندارند. در مقابل، رصدهای ابر گازی میان‌ستاره‌ای اخیر JWST که PAHهای کوچک و خنثی با ساختارهای الکترونیکی پوسته‌بسته را نشان می‌دهد. اخترشناسان رادیویی، سازگار با JWST، یک PAH به نام ایندن (C₉H₈) در ابر مولکولی ثور ۱ شناسایی کرده‌اند. مشخص نیست که آیا فرایند خنک‌کنندگی مشاهده‌شده در آزمایشگاه برای یون‌های PAH پوسته‌باز در مورد مولکول‌های خنثی رصدشده در فضا، مانند ایندن، نیز صدق می‌کند یا خیر.

بول برای اندازه‌گیری نرخ خنک‌شوندگی تابشی و تعیین اهمیت فلورسانس بازگشتی در PAH پوسته‌بسته، آزمایشی را در حلقه ذخیره‌سازی یونی سرمایشی (دمای بسیار پایین) DESIREE در دانشگاه استکهلم طراحی کرد. دستگاه این امکان را فراهم می‌کند که یون‌ها تا حدود یک ساعت تحت شرایطی مشابه شرایط در برخی نواحی فضا – دمای k ۱۳ و چگالی گاز particles/cm3 ۱۰^۴ حرکت کنند. بول می‌گوید: «ما معمولاً می‌گوییم که این زیرساخت یک ابر مولکولی در جعبه ایجاد می‌کند.» طرح این بود که مولکول‌ها پیش از ورود به حلقه با برخورد به پلاسما برانگیخته و سپس با چرخش حول حلقه سرد می‌شوند.

او و همکارانش از شکل یونیزه ایندن، ایندنیل (C₉H⁺₇) استفاده کردند که تصور می‌شود در فضا نیز به همان اندازه فراوان باشد. گروه مولکول‌های ایندنیل که از لحاظ ارتعاشی برانگیخته شده بودند زا در حلقه ذخیره‌سازی با محیط ۸.۶ متر با سرعت چرخش صدهاهزار بار در ثانیه به چرخش در آوردند. با شکسته شدن مولکول‌ها، قطعات خنثی مدارهای پایدار خود را از دست دادند و از حلقه خارج شدند، برخی تکه‌ها نیز با آشکارسازها جمع‌آوری شدند. با گذشت زمان تعداد تکه‌های ایندنیل کاهش یافت و محققان دریافتند که این سازوکارِ پایداری پنج برابر سریع‌تر از حالت معمول سیستم‌هایی که فقط با تابش فروسرخ خنک می‌شوند، رخ داده است.

محققان برای مشخص کردن این سازوکار به شبیه‌سازی دینامیک مولکولی روی آوردند. در مورد انرژی‌های ارتعاشی اولیه در محدوده ۵ تا ۸ الکترون‌ولت، ‌ایندنیل در معرض سه فرایند رقابتی قرار می‌گیرد: از دست دادن انرژی با تابش فروسرخ، از دست دادن انرژی با فلورسانس بازگشتی و واپاشی. مدل ترکیبی این سه فرایند با نرخ پایداری رصدشده ایندنیل سازگار است. در مقابل مدل‌هایی که فلورسانس بازگشتی را در نظر نمی‌گرفتند، نرخ فروپاشی را به میزان قابل‌توجهی بیش از حد برآورد کرده بودند. بول می‌گوید برخلاف مدل‌سازی‌های یپیشین که فرض می‌کردند PAHها ساختاری یکپارچه و سخت دارند، این مدل جدید دربردارنده ارتعاشات مولکولی داخلی‌ای است که می‌تواند نرخ فلورسانس بازگشتی را افزایش دهد.

کوک می‌گوید که کار بول «بینش مهمی درباره باقی ماندن PAHهای کوچک» در محیط میان‌ستاره‌ای فراهم آورده است. این امر نشان می‌دهد که فلورسانس بازگشتی نقش مهمی در پایداری مولکول‌های PAH جداشده ایفا می‌کند. او می‌گوید: «گام بعدی اخترشیمی‌دان‌ها یافتن بهترین روش برای وارد کردن این یافته‌ها به مدل‌هایشان است تا بتوانند چرخه حیات مولکول‌های PAH میان‌ستاره‌ای را دقیق‌تر بررسی کنند.»

[1] J. N. Bull et al., “Radiative stabilization of the indenyl cation: Recurrent fluorescence in a closed-shell polycyclic aromatic hydrocarbon,” Phys. Rev. Lett. 134, 228002 (2025).

منبع:

How Organic Molecules Survive in Space