پژوهش‌گران در پژوهشی تازه دریافته‌اند که برای ساختِ مولکول‌های آلی و پیچیده در فضای بینِ ستاره‌ای، رخ‌دادِ پدیده‌ی تونل‌زنیِ کوانتومی لازم و ضروری‌ست. این پدیده‌ی شگفت‌انگیز، انجامِ چنین برهم‌کنش‌های شیمیایی‌ای را در فضای سرد و یخ‌بسته‌ی بینِ ستاره‌ای، سرعت می‌بخشد.

پژوهش‌های تازه نشان می‌دهد که مولکول‌هایی که در خلاءِ سرد و تاریکِ فضای بینِ ستاره‌ای شناور هستند، از قوانینِ مکانیکِ کوانتومی بهره می‌گیرند تا با یک‌دیگر واکنش داده و موادِ شیمیاییِ پیچیده‌تری بسازند. پژوهش‌گران این واکنش‌ها را به کمکِ یکی از ویژگی‌های شگفت‌انگیزِ فیزیکِ کوانتومی توصیف می‌کنند، که ممکن است یکی از اجزای کلیدی و حیاتی در خطِ مونتاژِ کیهانی باشد. این خطِ مونتاژ با سرعتی بسیار، مقادیرِ انبوهی از مولکول‌های آلیِ پیچیده مانندِ آن‌چه در ایجادِ حیات ضروری هستند را تولید می‌کند.

مدت‌هاست ستاره‌شناسان می‌دانند که ستاره‌ها کارخانه‌ی سازنده‌ی عناصرِ شیمیایی هستند. اما همین تازگی بود که پژوهش‌گران مولکول‌های آلیِ پیچیده‌ای را به صورتِ شناور در ابرهایی از گاز و غبار در فضا رصد کرده‌اند (SN 1/30/10, p. 26). توضیحِ چگونگیِ تشکیلِ این مولکول‌های شیمیایی که شاملِ مولکول‌های موادی هم‌چون الکل‌ها، شکرها و حتی یکی از اجزای موجود در قطران هستند، دشوار است، چراکه برخوردِ مولکول‌ها به یک‌دیگر در فضا رخ‌دادی بسیار کم‌یاب است.

سالِ گذشته ستاره‌شناسان مولکولِ CH₃O را در یک ابر گازی یافتند که مِتوکسی (methoxy) نامیده می‌شود. این مولکول از برهم‌کنشِ هیدروکسیل (OH) با متانول (CH₃OH) ساخته می‌شود. اما انرژیِ موردِ نیاز برای چنین برهم‌کنشی بیش از آن چیزی‌ست که در فضا قابلِ دست‌رس باشد، جایی که دمای آن همواره نزدیک به صفرِ مطلق است.

Dwayne Heard  و گروهش از دانش‌گاهِ لیدز در انگلستان درباره‌ی برهم‌کنشِ هیدروکسیل با دیگر مولکول‌ها، از جمله متانول پژوهش می‌کردند. البته این گروه به طورِ ویژه این برهم‌کنشِ رمزآلود را پی‌گیری نمی‌کرد. پژوهش‌گران برای انجامِ این کارِ پژوهشی دو ماده‌ی کنش‌گر را با هم، در ظرفی سردکننده قرار دادند. اعضای این گروه در اوجِ شگفتی دریافتند که انجامِ واکنش در دمای -210 درجه‌ی سلسیوس نزدیک به 50 بار سریع‌تر از سرعتِ آن در دمای اتاق است، حتی اگر انرژیِ مولکول‌های سردشده برای انجامِ چنین واکنشی بسیار کم باشد.

گروهِ پژوهشی Heard در آخرین شماره‌ی مجله‌ی شیمی Nature این یافته را به کمکِ پدیده‌ای توضیح می‌دهند که تونل‌زنیِ کوانتومی نامیده می‌شود. یک برهم‌کنشِ شیمیایی تنها هنگامی رخ می‌دهد که مولکول‌های شرکت‌کننده در برهم‌کنش، انرژیِ کافی برای چیره‌شدن بر انرژیِ آستانه را داشته باشند. این انرژیِ آستانه که به شکلِ یک تپه است، به عنوانِ یک سدِ انرژی در نظر گرفته می‌شود. اما یکی از پیامدهای یگانه و منحصر به فردِ مکانیکِ کوانتومی آن است که گه‌گاه مولکول‌ها می‌توانند از درونِ این تپه‌ی انرژی میان‌بُر بزنند، بی‌آن‌که انرژیِ موردِ نیاز برای گذشتن از این سد را داشته باشند. اریک هِربست (Eric Herbst) اخترشیمی‌دانی از دانش‌گاهِ ویرجینیا واقع در ،Charlottesville این پدیده را چنین توضیح می‌دهد: «ذره می‌تواند درست از پایینِ این کوهِ (انرژی) میان‌بر زده و حرکت کند، درست مانند آن‌که هیچ سدی در برابرش نیست».

Heard و هم‌کارانش دریافتند که در دماهای پایین، احتمالِ رخ‌دادِ پدیده‌ی تونل‌زنی افزایش می‌یابد چون در دمای کم‌تر، حرکتِ مولکول‌های هیدروکسیل و متانول کندتر خواهد بود و بنابراین احتمالِ آن‌که این دو مولکول پس از برخورد، به یک‌دیگر بچسبند بیش‌تر خواهد بود. درحالی‌که در دماهای بالاتر، هر دو مولکول پر انرژی‌تر بوده و پس از برخورد با یک‌دیگر، از هم پراکنده می‌شوند. هنگامی که در اثرِ برخورد در دمای پایین، این دو مولکول به یک‌دیگر بچسبند، به طورِ گذرا و موقت به یک‌دیگر مقید می‌شوند. این قید فرصتِ بیش‌تری را برای تونل‌زنی از میانِ سدِ انرژی فراهم کرده و انجامِ برهم‌کنش را سرعت می‌بخشد. Heard چنین تخمین می‌زند که از هر 10 برخورد که در فضا، میانِ مولکول‌های هیدروکسیل و متانول رخ می‌دهد، یک برخورد به ساختِ مولکولِ متوکسی می‌انجامد. در حالی‌که اگر رخ‌دادِ پدیده‌ی تونل‌زنیِ کوانتومی مجاز نبود، احتمالِ ساختِ مولکولِ متوکسی به میزانِ یک برخورد از هر 10 میلیون برخورد کاهش می‌یافت.

همان‌گونه که استفان کلیپنشتاین (Stephen Klippenstein) توضیح می‌دهد، دیگر مولکول‌های موجود در فضای بینِ ستاره‌ای نیز وجودِ خود را وام‌دارِ مکانیکِ کوانتومی هستند. وی که یک شیمی‌دانِ نظری در آزمایش‌گاهِ ملیِ Argonne در ایلینویز است، هم‌چنین می‌افزاید: « پژوهش‌گرانِ دیگر نیز قطعاً به برهم‌کنش‌هایی همانندِ این مورد بر خواهند خورد. این برهم‌کنش، موردی منحصر به فرد نخواهد بود».

منبع: