تلسکوپ فضایی جیمز وب به تازگی موفق به کشف سیگنال ممنوعه جیمز وب از مولکول تری‌هیدروژن کاتیون (H3+) در اعماق فضا شده است، پدیده‌ای که دهه‌ها پیش پیش‌بینی شده اما هرگز حتی در آزمایشگاه هم مشاهده نشده بود.

مولکول تری‌هیدروژن کاتیون یا همان H3+، سنگ‌بنای اصلی شیمی بین‌ستاره‌ای گازی است و نقش حیاتی در تشکیل مولکول‌های آلی پیچیده ایفا می‌کند که خود از مواد اولیهحیاتبه شمار می‌روند. این مولکول که به درستی لقب مولکولی که جهان را ساخت گرفته است، پیش از این در ابرهای بین‌ستاره‌ای و شفق‌های قطبی مشتری شناسایی شده بود. با این حال، نوع خاصی از نوری که باید هنگام چرخش از خود ساطع کند، از سال ۱۹۸۶ تاکنون از دید تمام ابزارهای رصدی و آزمایشگاهی پنهان مانده بود. این کشف جدید دریچه‌ای نو به سوی درک فیزیک امواج ضربه‌ای عظیم ناشی از ستاره‌های نوزاد می‌گشاید و به ما در شناخت بهتر واکنش این مولکول حیاتی در میان فوران‌های کیهانی یاری می‌رساند.

مولکولی حیاتی با نوری پنهان

مولکول تری‌هیدروژن کاتیون (H3+)، متشکل از سه هسته هیدروژن با ساختاری متقارن شبیه مثلث متساوی‌الاضلاع است. این شکل متقارن باعث می‌شود مولکول فاقد گشتاور دوقطبی دائمی باشد و نتواند تابش الکترومغناطیسی را که معمولاً مولکول‌ها هنگام چرخش ساطع می‌کنند، منتشر کند. با این حال، در سال ۱۹۸۶، اخترفیزیکدانان Fu-Shih Pan و Takeshi Oka پیش‌بینی کردند که H3+ می‌تواند مقدار بسیار ضعیفی از نور را هنگام چرخش منتشر کند.

• دانشمندان به دمای بی‌سابقه‌ای دست یافتند؛ ۲۸۰ میلیارد برابر سردتر از کیهان
• کشف بزرگ دانشمندان؛ آیا این ذره گمشده راز وجود کیهان است؟
• انفجاری در اعماق کیهان ۲۷ روز خاموش نشد؛ دانشمندان دنبال پاسخ‌اند
• جهان توسط یک پدیده کوانتومی عجیب در جای خود قفل شده است

این پدیده از طریق تغییر شکل جزئی مولکول بر اثر نیروهای گریز از مرکز حاصل می‌شود که گشتاور دوقطبی الکتریکی کوچکی را ایجاد می‌کند. تابش‌های ناشی از این فرایند به قدری ضعیف هستند که «ممنوعه» نامیده می‌شوند، چراکه قوانین معمول تابش مولکولی آن را منع می‌کنند. این پیش‌بینی برای چهار دهه بدون تأیید باقی ماند، زیرا سیگنال آن حتی در آزمایشگاه نیز قابل شناسایی نبود.

کشف سیگنال ممنوعه جیمز وب در قلب کیهان

اما آنچه Pan و Oka در مقاله خود پیش‌بینی نکرده بودند، ترکیب توانایی‌هایتلسکوپ فضایی جیمز وبو فوران‌های پرقدرت ستاره‌های نوزاد بود. اجرام هربیگ-هارو (Herbig-Haro objects) پدیده‌هایی تماشایی در کهکشان هستند که از فوران‌های خشونت‌آمیز ستارگان جوان متولد می‌شوند. این فوران‌ها هنگام برخورد با ابر مولکولی اطراف، امواج ضربه‌ای عظیمی ایجاد کرده و گاز را تا هزاران درجه گرم می‌کنند. نور فروسرخ که تلسکوپ جیمز وب به آن حساس است، می‌تواند از میان غبار نفوذ کند و به درون این مناطق پرآشوب نوزادی ستارگان بنگرد.

هنگامی که دیوید نویفلد و همکارانش مشاهدات جیمز وب از جرم هربیگ-هارو ۱۶۸ (HH 168) را بررسی کردند، مجموعه‌ای از خطوط طیفی فوق‌العاده ضعیف را در میان تابش‌های فروسرخ گاز داغ و شوک‌خورده کشف کردند. طول موج‌های این خطوط دقیقاً با انتقال‌های چرخشی ممنوعه تری‌هیدروژن کاتیون مطابقت داشت که ۴۰ سال پیش توسط Pan و Oka محاسبه شده بود. این تیم ۲۶ خط متمایز را با اطمینان آماری بالا شناسایی کرد که قوی‌ترین آن‌ها به ۷۲ سیگما می‌رسید. برای نخستین بار، ستاره‌شناسان این مولکول را در حال ساطع کردن نوری مشاهده کردند که هرگز در هیچ کجای کیهان دیده نشده بود و حتی در مقایسه با پیش‌بینی مدل‌هایشان، درخشندگی خیره‌کننده‌ای داشت.

راز درخشندگی بی‌سابقه و گام‌های آینده

نکته قابل توجه دیگر، مکانی بود که اینسیگنال ممنوعه جیمز وبدر میان گازهای متلاطم شوک‌خورده توسط جت‌های ستاره نوزاد ظاهر شد. این سیگنال به طور دقیق، انتشار هیدروژن مولکولی معمولی (H2) را دنبال می‌کرد که نشان می‌دهد هر دو مولکول به شرایط خشن مشابهی واکنش نشان می‌دادند. با این حال، توضیح دقیق اینکه چگونه این شرایط چنین انتشار درخشانی از تری‌هیدروژن کاتیون تولید کرده است، دشوارتر بود. مدل‌های امواج ضربه‌ای نتوانستند به طور کامل مشاهدات را بازتولید کنند؛ یک مدل انتشار هیدروژن مولکولی را به خوبی شبیه‌سازی کرد اما سیگنال تری‌هیدروژن را پنج یا شش برابر کمتر تخمین زد. در سوی دیگر، مدل دیگری به انتشار H3+ نزدیک‌تر شد، اما به شرایطی فراتر از محدوده اعتبارسنجی خود متکی بود.

• هابل و جیمز وب راز جهان‌های باستانی منظومه شمسی را فاش کردند
• جیمز وب از جایی از فضا که چیزی دیده نمی‌شود یک سیگنال دریافت کرد؛ دانشمندان سردرگم‌اند
• کشف بزرگ جیمز وب درباره سیاه‌چاله‌ها؛ چگونه رشد می‌کنند؟
• ده ابرپروژه تاریخی که بیشترین هزینه را در جهان داشته‌اند

این یافته نشان می‌دهد که برای درک کامل درخشندگی این سیگنال، کار بیشتری لازم است. تیم همچنین در مشاهدات آرشیوی جیمز وب از جرم هربیگ-هارو ۲۱۱ (HH 211) نیز همین انتشار گویای را کشف کرد. این تأیید دوگانه بسیار ارزشمند است و نشان می‌دهد Pan و Oka در تمام این مدت حق داشتند؛ تنها ابزار حساسی برای تأیید آن وجود نداشت. اکنون، تری‌هیدروژن کاتیون ممکن است خود به ابزاری برای دانشمندان تبدیل شود تا شیمی‌ای را بهتر درک کنند که ساده‌ترین عنصر جهان را به پیچیدگی خیره‌کنندهکیهانتبدیل می‌کند.