حل یک معمای فضایی 90 ساله: چرا سر دنباله‌دارها می‌تواند سبز باشد، اما هرگز دم آنها اینطور نیست!!
تیم این معما را با کمک یک محفظه خلاء، لیزری و یک واکنش کیهانی قدرتمند حل کردند.
هر چند وقت یکبار، کمربند کوییپر و ابر اورت، گلوله‌های برفی کهکشانی متشکل از یخ، غبار و سنگ را به سمت ما پرتاب می‌کنند: بقایای 4.6 بیلیون ساله از شکل گیری منظومه شمسی.
این گلوله‌های برفی – یا همانطور که ما آنها را می‌شناسیم، دنباله‌دارها – هنگام عبور از آسمان، دگردیسی رنگارنگی را پشت سر می‌گذارند و سر بسیاری از دنباله‌دارها به رنگ سبز درخشانی در می‌آیند که با نزدیک شدن به خورشید درخشان‌تر می‌شود.
اما به طرز عجیبی، این سایه سبز قبل از رسیدن به یک یا دو دم پشت دنبال دار ناپدید می‌شود.
ستاره‌شناسان، دانشمندان و شیمیدانان تقریباً یک قرن است که درگیر این راز هستند. در دهه 1930، گرهارد هرزبرگ فیزیکدان این نظریه را به وجود آورد که این پدیده به دلیل نور خورشید است که کربن دو اتمی (همچنین به عنوان دی‌کربن یا C2 شناخته می‌شود)، یک ماده شیمیایی ایجاد شده از برهم‌کنش نور خورشید و ماده آلی روی سر دنباله‌دار است – اما به دلیل اینکه دی‌کربن پایدار نیست. آزمایش این نظریه سخت بوده است.
یک مطالعه جدید به رهبری UNSW سیدنی که در 20 دسامبر 2021 در مجموعه مقالات آکادمی ملی علوم (PNAS) منتشر شد، سرانجام راهی برای آزمایش این واکنش شیمیایی در آزمایشگاه پیدا کرد.
تیموتی اشمیت، استاد شیمی در UNSW Science و نویسنده ارشد این مطالعه، می‌گوید: «ما مکانیسم تجزیه دی‌کربن توسط نور خورشید را ثابت کرده‌ایم.
این امر توضیح می‌دهد که چرا کمای سبز – لایه فازی گاز و غبار که هسته را احاطه کرده است – با نزدیکتر شدن یک دنباله‌دار به خورشید منقبض می‌شود و همچنین چرا دم دنباله‌دار سبز نیست.
بازیگر کلیدی در مرکز رمز و راز، دی‌کربن، هم بسیار واکنش‌پذیر است و هم مسئول دادن رنگ سبز به بسیاری از دنباله‌دارها است. دی‌کربن از دو اتم کربن به هم چسبیده تشکیل شده است و فقط در محیط‌های بسیار پرانرژی یا کم اکسیژن مانند ستارگان، دنباله‌دارها و محیط بین‌ستاره‌ای یافت می‌شود.
دی‌کربن روی دنباله‌دارها تا زمان نزدیکی به خورشید وجود ندارد. همانطور که خورشید شروع به گرم کردن دنباله‌دار می‌کند، ماده آلی موجود در هسته یخی تبخیر شده و به کما می‌رود. سپس نور خورشید این مولکول‌های آلی بزرگتر را می‌شکند و دی‌کربن ایجاد می‌کند.
تیم UNSW اکنون نشان داده است که با نزدیکتر شدن دنباله‌دار به خورشید، تابش شدید فرابنفش مولکول‌های دی‌کربنی را که اخیراً ایجاد کرده است، در فرآیندی به نام «تجزیه عکس» از هم می‌شکند. این فرآیند دی‌کربن را قبل از اینکه بتواند از هسته دور شود، از بین می‌برد و باعث می‌شود کمای سبز روشن‌تر و منقبض شود – و اطمینان حاصل شود که رنگ سبز هرگز وارد دم نمی‌شود.
این اولین بار است که این تعامل شیمیایی در اینجا روی زمین مورد مطالعه قرار می گیرد.
هرزبرگ یک فیزیکدان باورنکردنی بود و در دهه 1970 جایزه نوبل شیمی را دریافت کرد. این بسیار هیجان‌انگیز است که بتوانیم یکی از چیزهایی را که او تئوریزه کرده است ثابت کنیم.»
پروفسور اشمیت که به مدت 15 سال روی دی‌کربن مطالعه کرده است، می‌گوید این یافته‌ها به ما کمک می‌کند هم دی‌کربن و هم دنباله‌دارها را بهتر درک کنیم.
او می‌گوید: «دی‌کربن از تجزیه مولکول‌های آلی بزرگتر منجمد شده در هسته دنباله‌دار – نوعی مولکول که مواد تشکیل‌دهنده حیات هستند» به دست می‌آید.
با درک طول عمر و نابودی آن، می‌توانیم بهتر بفهمیم که چه مقدار مواد آلی از دنباله‌دارها تبخیر می‌شوند. اکتشافاتی مانند این ممکن است روزی به ما کمک کند تا معماهای فضایی دیگر را حل کنیم.»
یک نمایش لیزری که شبیه هیچ چیز دیگری نیست
برای حل این معما، تیم باید همان فرآیند شیمیایی کهکشانی را در یک محیط کنترل شده روی زمین بازسازی کند.
آنها این کار را با کمک یک محفظه خلاء، با لیزرهای زیاد و یک واکنش کیهانی قدرتمند انجام دادند.
پروفسور اشمیت می گوید: «ابتدا ما مجبور شدیم این مولکول را بسازیم که برای نگهداری در بطری بسیار واکنش‌پذیر است. «این چیزی نیست که بتوانیم از مغازه‌ها بخریم.
ما این کار را با گرفتن یک مولکول بزرگتر به نام پرکلرواتیلن یا C2Cl4 انجام دادیم و اتم‌های کلر آن (Cl) را با لیزر UV پرقدرت منفجر کردیم.
مولکول‌های دی‌کربن تازه ساخته شده از طریق یک پرتو گاز در یک محفظه خلاء که حدود دو متر طول داشت، فرستاده شدند.
سپس تیم دو لیزر UV دیگر را به سمت دی‌کربن نشانه رفت: یکی برای پرتاب کردن آن با تشعشع و دیگری برای قابل تشخیص کردن اتم‌های آن. اصابت تابش دی کربن را از هم جدا کرد و اتم های کربن آن را روی یک آشکارساز سرعت پرواز کرد.
با تجزیه و تحلیل سرعت این اتم‌هایی که به سرعت در حال حرکت هستند، تیم می‌تواند قدرت پیوند کربن را در حدود یک در 20000 اندازه‌گیری کند – که مانند اندازه‌گیری 200 متر به نزدیک‌ترین سانتی‌متر است.
به دلیل پیچیدگی آزمایش، 9 ماه طول کشید تا آنها بتوانند اولین مشاهده خود را انجام دهند.
پروفسور اشمیت می گوید این اولین بار است که کسی تا به حال این واکنش شیمیایی را مشاهده می‌کند.
حل معمایی که به دهه 1930 برمی‌گردد، بسیار رضایت بخش است.
حل معماهای فضایی
حدود 3700 دنباله‌دار شناخته شده در منظومه شمسی وجود دارد، اگرچه گمان می‌رود بیلیون‌ها دنباله‌دار دیگر نیز وجود داشته باشند. به طور متوسط، هسته یک دنباله‌دار 10 کیلومتر عرض دارد – اما کمای آن اغلب 1000 برابر بزرگتر است.
دنباله‌دارهای درخشان می‌توانند نمایش‌های دیدنی را برای کسانی که به اندازه کافی خوش‌شانس هستند به نمایش بگذارند. اما در گذشته، دنباله‌دارها ممکن بود کاری بیشتر از این برای زمین انجام داده باشند – در واقع، یکی از نظریه‌های منشا حیات این است که دنباله‌دارها زمانی بلوک‌های سازنده حیات را مستقیماً به ما تحویل می‌دادند.
پروفسور مارتین ون کراندونک، اختر زیست‌شناس و زمین‌شناس UNSW که در این مطالعه شرکت نداشت، می‌گوید: «این تحقیق هیجان‌انگیز به ما نشان می‌دهد که فرآیندهای فضای بین ستاره‌ای چقدر پیچیده هستند.
زمین اولیه مجموعه‌ای از مولکول‌های کربن‌دار مختلف را تجربه می‌کرد که به سطح آن تحویل می‌شد و اجازه می‌داد تا واکنش‌های پیچیده‌تری در پیشبرد حیات رخ دهد.
اکنون که پرونده دم سبز گم شده در دنباله‌دارها حل شده است، پروفسور اشمیت، متخصص در شیمی فضایی، می‌خواهد به حل دیگر معماهای فضایی ادامه دهد.
در مرحله بعد، او امیدوار است نوارهای پراکنده بین ستاره‌ای را بررسی کند: الگوهایی از خطوط تاریک بین ستاره‌ها که با هیچ اتم یا مولکولی مطابقت ندارند که ما می‌شناسیم.
“این فقط یک راز دیگر در فهرست عظیمی از چیزهای عجیب و غریب در فضا است که ما هنوز کشف نکرده‌ایم.”
ترجمه: سارا سیدحاتمی
منبع:
Solving a 90 Year-Old Space Mystery: Why Comets’ Heads Can Be Green, but Never Their Tails
By UNIVERSITY OF NEW SOUTH WALES DECEMBER 21, 2021
https://scitechdaily.com/solving-a-90-year-old-space-mystery-why-comets-heads-can-be-green-but-never-their-tails/