وسعت کیهان مملو از اسرار بی‌شماری است، از تولد کهکشان‌ها گرفته تا شیمی پیچیده فضای میان‌ستاره‌ای. در میان مولکول‌های متعددی که کیهان را شکل می‌دهند، یکی به دلیل نقش اساسی‌اش در تشکیل ستارگان و تکامل شیمیایی برجسته‌تر است: تری‌هیدروژن یا +H₃.
این مولکول که اغلب با عنوان «مولکولی که جهان را ساخت» شناخته می‌شود، نقشی حیاتی در شیمی میان‌ستاره‌ای دارد و واکنش‌هایی را تقویت می‌کند که به تشکیل ستارگان و سیارات منجر می‌شوند.
+H₃ در سراسر کیهان یافت می‌شود؛ از سحابی‌های درخشان گرفته تا سیارات غول‌پیکری مانند مشتری و زحل. دانشمندان مدت‌هاست که مکانیزم اصلی تشکیل آن را درک کرده‌اند: هنگامی که مولکول هیدروژن (H₂) با شکل یونیزه‌شده خود (+H₂) برخورد می‌کند، +H₃ ایجاد می‌شود.
با این حال، پژوهشگران همچنان علاقه‌مندند مسیرهای جایگزینی را که به تشکیل +H₃ منجر می‌شوند بررسی کنند و میزان فراوانی آن را در سراسر کیهان تخمین بزنند.
پژوهشی جدید از دانشگاه ایالتی میشیگان
مطالعه‌ای جدید از دانشگاه ایالتی میشیگان (MSU) ابعاد تازه‌ای از این معما را روشن کرده است. این تحقیق که توسط «پیوتر پیچوخ» و «مارکوس دانتوس» هدایت شده، نشان می‌دهد که چگونه +H₃ می‌تواند در ترکیباتی به نام «هالوژن‌های متیلی» و «شبه‌هالوژن‌ها» شکل بگیرد.
این یافته‌ها بر پایه کشفیات پیشین بنا شده و مسیرهای جدیدی را در حوزه اخترشیمی باز می‌کند.
مسیرهای تازه برای تشکیل +H₃
تا پیش از این، دانشمندان تصور می‌کردند که +H₃ عمدتاً از طریق واکنش‌های یونیزاسیون شناخته‌شده در فضا تشکیل می‌شود. اما تیم تحقیقاتی MSU این فرضیه را به چالش کشیده و منابع جایگزین را بررسی کرده است.
پژوهش‌های اولیه آنها نشان داد که +H₃ می‌تواند از طریق مکانیزمی به نام «مکانیزم سرگردان» در مولکول‌های آلی دو بار یونیزه‌شده پدید آید.
دو بار یونیزه شدن زمانی رخ می‌دهد که یک مولکول در اثر قرار گرفتن در معرض انرژی شدید (مانند پرتوهای کیهانی یا لیزرهای پرقدرت) دو الکترون از دست بدهد. به طور سنتی، انتظار می‌رفت که یک مولکول دو بار یونیزه‌شده به دلیل دافعه شدید بین دو بار مثبت، به‌شدت متلاشی شود.
اما محققان پدیده‌ای غیرمنتظره را مشاهده کردند. مولکول بلافاصله از هم نپاشید، بلکه یک مولکول هیدروژن خنثی (H2H_2) در درون ساختار آن شکل گرفت، آزادانه در محیط مولکولی سرگردان شد و در نهایت با جذب یک پروتون اضافی، +H₃ را تشکیل داد.
این مطالعه دیدگاه تازه‌ای را درباره نحوه تشکیل +H₃ در محیط‌هایی فراتر از مسیرهای یونیزاسیون استاندارد هیدروژن ارائه می‌دهد. در ادامه، تیم تحقیقاتی بر روی ترکیبات هالوژنی تمرکز کرد تا دریابد آیا چنین فرآیندهایی در این مواد نیز رخ می‌دهند یا نه.
هالوژن‌های متیلی و شبه‌هالوژن‌ها
هالوژن‌های متیلی و شبه‌هالوژن‌ها ترکیباتی هستند که شامل کربن، هیدروژن و عناصر هالوژنی مانند فلوئور، کلر یا برم می‌شوند.
این مولکول‌ها در فضا وجود دارند و در واکنش‌های شیمیایی مختلفی نقش ایفا می‌کنند. پژوهشگران MSU گمان داشتند که +H₃ ممکن است در این ترکیبات از طریق یونیزاسیون دوگانه و مکانیزم سرگردان تشکیل شود.
با استفاده از طیف‌سنجی لیزری فوق‌سریع و مدل‌سازی محاسباتی پیشرفته، تیم تحقیقاتی توانست فرآیند تشکیل +H₃ را با جزئیاتی بی‌سابقه مشاهده کند. آزمایش‌های آنها تأیید کرد که +H₃ می‌تواند از چندین نوع هالوژن متیلی و شبه‌هالوژن‌ها به وجود آید، که این شواهدی جدید برای مسیرهای جایگزین تشکیل آن ارائه می‌دهد.
اهمیت +H₃ در اخترشیمی
پیوتر پیچوخ توضیح می‌دهد:
«+H₃ یک مولکول کوچک است که شاید برای ما روی زمین به اندازه آب یا پروتئین‌ها مهم نباشد، اما در زمینه فراوانی آن در جهان، نحوه تولید آن، و سرعت واکنش‌های شیمیایی آن، اهمیت زیادی دارد.»
اهمیت +H₃ فراتر از فرآیند تشکیل آن است. این مولکول به عنوان یک واکنش‌دهنده کلیدی در بسیاری از واکنش‌های شیمیایی میان‌ستاره‌ای عمل می‌کند و نقش محوری در تشکیل مولکول‌های آلی پیچیده‌تر دارد. این مولکول‌ها، به نوبه خود، در ایجاد بلوک‌های سازنده حیات نقش دارند.
رفتار مولکول‌های دو بار یونیزه‌شده
با عنوان «مولکولی که جهان را ساخت»، +H₃ انتظارات بالایی را برمی‌انگیزد. دانشمندان مدت‌هاست که نقش اساسی آن را شناخته‌اند، اما کشف مکانیزم سرگردان، نگرش آنها را نسبت به رفتار مولکول‌ها در شرایط شدید تغییر داده است.
مارکوس دانتوس تأکید می‌کند:
«+H₃ برای اخترشیمی بسیار مهم است، از تولد ستارگان گرفته تا تشکیل بسیاری از مولکول‌های آلی.»
پیش از این، تصور می‌شد که مولکول‌های دو بار یونیزه‌شده همیشه با سرعت بالا متلاشی می‌شوند. اما این مطالعه نشان داد که مولکول‌های هیدروژن خنثی می‌توانند درون این ساختارهای یونیزه‌شده باقی بمانند و با گذشت زمان، مسیرهای جدیدی را برای تشکیل +H₃ ایجاد کنند.
جستجوی منابع جدید +H₃
پژوهشگران تنها به شناسایی ترکیباتی که +H₃ تولید می‌کنند بسنده نکردند، بلکه به همان اندازه شناسایی ترکیباتی که قادر به تولید آن نیستند نیز اهمیت داشت.
با مقایسه موارد موفق و ناموفق، آنها مجموعه‌ای از عوامل پیش‌بینی‌کننده را توسعه دادند که می‌تواند به شناسایی مولکول‌های دیگری که قادر به تشکیل +H₃ هستند، کمک کند.
تکنیک‌های پیشرفته در شیمی
این اکتشافات با استفاده از ترکیبی از طیف‌سنجی لیزری فوق‌سریع و شیمی محاسباتی امکان‌پذیر شد.
توانایی اندازه‌گیری واکنش‌هایی که در مقیاس فمتوثانیه (یک کوادریلیونیم ثانیه) رخ می‌دهند، به محققان اجازه داد تا حرکات مولکولی را که در حالت عادی غیرقابل مشاهده‌اند، ثبت کنند.
درک شیمی کیهانی
این یافته‌ها پیامدهای گسترده‌ای برای اخترشیمی دارند. با تعیین عوامل حاکم بر تشکیل +H₃، این مطالعه چارچوبی برای تحقیقات آینده فراهم می‌کند.
پیوتر پیچوخ نتیجه‌گیری می‌کند:
«حتی اگر تنها چند درصد بیشتر از +H₃ در جهان به دلیل این ترکیبات آلی کوچک تشکیل شود، مدل‌هایی که دانشمندان برای مطالعه فرآیندهایی مانند تشکیل ستارگان استفاده می‌کنند، ممکن است نیاز به بازنگری داشته باشند.»
این پژوهش در مجله Nature Communications منتشر شده است.
