پیرِن در فضا: کشف انقلابی MIT که منشأ حیات را زیر سوال می‌برد!

کشف “پیرِن” در ابرهاي بین‌ستاره‌ای: یک یافته‌ی علمی شگفت‌انگیز

تیمی از محققان برجسته‌ی MIT به کشفی چشم‌گیر دست یافتند: وجود مقادیر قابل‌توجهی از یک مولکول بزرگ کربنی به‌نام پیرِن در یک ابر بین‌ستاره‌ای دوردست. پیرِن، که به‌عنوان هیدروکربن آروماتیک چند‌حلقه‌ای (PAH) شناخته می‌شود، از اهمیت بالایی برخوردار است. کشف این مولکول در این ابر دوردست، که شباهت بسیاری به انبوهی از غبار و گاز دارد که روزی به منظومه‌ی شمسی ما تبدیل شد، این فرضیه را تقویت می‌کند که پیرِن می‌تواند منبع اصلی کربن موجود در منظومه‌ی شمسی ما باشد. این فرضیه با یک کشف جدید دیگر نیز تأیید می‌شود: نمونه‌های بازگردانده‌شده از سیارکِ نزدیک به زمین، “ریوگو”، حاوی مقادیر زیادی از پیرِن هستند.

دکتر برنت مک‌گوایر، استاد‌یار شیمی در MIT، در این‌باره می‌گوید: “یکی از بزرگ‌ترین سؤالات در حوزه‌ی تولد ستارگان و سیارات این است که چه مقدار از مواد شیمیایی موجود در آن ابر مولکولی اولیه‌ی سرنوشت‌ساز، به نسل‌های بعدی منتقل شده و اجزای اصلی منظومه‌ی شمسی را شکل داده‌اند؟ آن‌چه ما در حال بررسی‌اش هستیم، یک آغاز و یک سرانجام است، که در نهایت با هم یکسان هستند. شواهد به‌دست‌آمده نشان می‌دهد که این مواد، از ابر مولکولی اولیه، به یخ، غبار و اجسام سنگی که منظومه‌ی شمسی ما را تشکیل می‌دهند، راه یافته‌اند.”

پیرِن و تکنیک‌های رادیو نجوم

به‌دلیل ساختار متقارن پیرِن، این مولکول برای روش‌های رادیو نجوم، که برای شناسایی حدود 95 درصد از مولکول‌های موجود در فضا استفاده می‌شود، نامرئی است. با این وجود، محققان، ایزومر “سیانوپیرِن” را شناسایی کردند؛ نسخه‌ای از پیرِن که با سیانید واکنش داده و تقارن خود را از دست داده است. این مولکول با استفاده از تلسکوپ رادیویی 100 متری گرین بنک (GBT) در ابر دوردستی به‌نام TMC-1 شناسایی شد. دکتر مک‌گوایر و ایلسا کوک، استاد‌یار شیمی در دانشگاه بریتیش کلمبیا، نویسندگان ارشد مقاله‌ای هستند که این یافته‌ها را شرح می‌دهد و قرار است در نشریه‌ی “ساینس” منتشر شود. گابی ونتزل، پژوهشگر پسادکتری در گروه مک‌گوایر، نویسنده‌ی اصلی این پژوهش است.

کربن در فضا: یک داستان پیچیده

هیدروکربن‌های آروماتیک چندحلقه‌ای (PAH)، که شامل حلقه‌های اتم کربن به‌هم‌پیوسته‌ هستند، به‌عنوان انبارکننده‌ی 10 تا 25 درصد از کربن موجود در فضا شناخته می‌شوند. بیش از 40 سال پیش، دانشمندان، با استفاده از تلسکوپ‌های فروسرخ، شروع به شناسایی ویژگی‌هایی کردند که به حالت‌های ارتعاشی PAHها در فضا نسبت داده می‌شود، اما این روش نمی‌توانست به‌طور دقیق مشخص کند که کدام نوع از PAHها در فضا وجود دارند. ونتزل می‌گوید: “از زمانی‌که نظریه‌ی PAHها در دهه‌ی 1980 مطرح شد، بسیاری از دانشمندان پذیرفتند که PAHها در فضا وجود دارند و در واقع، آن‌ها در شهاب‌سنگ‌ها، دنباله‌دارها و نمونه‌های سیارکی یافت شده‌اند، اما در عمل، ما نمی‌توانستیم از طیف‌سنجی فروسرخ برای شناسایی قطعی PAHهای جداگانه در فضا استفاده کنیم.”

در سال 2018، تیمی به‌رهبری مک‌گوایر، کشف “بنزنیتریل” – یک حلقه‌ی شش‌کربنی متصل به گروه نیتریل (کربن-نیتروژن) – را در TMC-1 اعلام کرد. برای این کشف، آن‌ها از GBT استفاده کردند، که می‌تواند مولکول‌ها را در فضا از طریق طیف‌های چرخشی آن‌ها شناسایی کند – الگوهای نوری خاصی که مولکول‌ها هنگام چرخش در فضا از خود ساطع می‌کنند. در سال 2021، تیم او، اولین PAHهای منفرد را در فضا شناسایی کرد: دو ایزومر “سیانوافتالین” که شامل دو حلقه‌ی به‌هم‌پیوسته و یک گروه نیتریل متصل به یکی از حلقه‌هاست.

در زمین، PAHها معمولاً به‌عنوان محصولات جانبی ناشی از سوختن سوخت‌های فسیلی به‌وجود می‌آیند و همچنین در نشانه‌های کربنی روی غذاهای کبابی یافت می‌شوند. کشف آن‌ها در TMC-1، که دمای آن حدود 10 کلوین است، نشان می‌دهد که ممکن است در دماهای بسیار پایین نیز تشکیل شوند. ازآنجاکه PAHها همچنین در شهاب‌سنگ‌ها، سیارک‌ها و دنباله‌دارها یافت شده‌اند، این موضوع بسیاری از دانشمندان را به این فرضیه سوق داده است که PAHها منبع بخش عمده‌ای از کربن‌هایی هستند که منظومه‌ی شمسی ما را شکل داده‌اند.

کشف “پیرِن” در ابر بین‌ستاره‌ای TMC-1

در سال 2023، پژوهشگران ژاپنی، مقادیر زیادی از پیرِن را در نمونه‌های بازگشتی از سیارک “ریوگو”، طی مأموریت “هایابوسا2”، کشف کردند. همچنین مقادیر کمتری از هیدروکربن‌های آروماتیک چندحلقه‌ای (PAHs) مانند نفتالین نیز در این نمونه‌ها وجود داشت. این کشف، مک‌گوایر و همکارانش را به این فکر انداخت که به‌دنبال پیرِن در TMC-1 بگردند. پیرِن که دارای چهار حلقه است، بزرگ‌تر از هر یک از دیگر PAHs شناسایی‌شده در فضا می‌باشد. در حقیقت، این مولکول، سومین مولکول بزرگ شناسایی‌شده در فضا و همچنین بزرگ‌ترین مولکول شناسایی‌شده با استفاده از رادیو نجوم است.

پیش از کاوش این مولکول‌ها در فضا، پژوهشگران ابتدا باید “سیانوپیرِن” را در آزمایشگاه سنتز می‌کردند. گروه “سیانو” یا همان نیتریل، برای این مولکول ضروری است تا سیگنالی را که تلسکوپ رادیویی قادر به شناسایی آن است، منتشر کند. سنتز این مولکول توسط شو ژانگ، پژوهشگر پسادکتری MIT در گروه آلیسون وندلندت، استاد شیمی MIT، انجام شد. سپس پژوهشگران، سیگنال‌هایی را که این مولکول‌ها در آزمایشگاه ساطع می‌کنند، آنالیز کردند؛ سیگنال‌هایی که دقیقاً مشابه همان سیگنال‌هایی هستند که در فضا ساطع می‌شوند. با استفاده از تلسکوپ GBT، پژوهشگران این نشانه‌ها را در سراسر TMC-1 پیدا کردند. آن‌ها همچنین دریافتند که سیانوپیرِن حدود 0.1 درصد از کل کربن موجود در ابر را تشکیل می‌دهد، که اگرچه به‌نظر می‌رسد درصد کمی باشد، اما وقتی به‌فکر هزاران نوع مختلف از مولکول‌های کربنی در فضا می‌افتیم، اهمیت آن آشکار می‌شود. مک‌گوایر می‌گوید: “در حالی‌که 0.1 درصد عدد بزرگی به‌نظر نمی‌آید، بیشتر کربن در مونوکسید کربن (CO) محبوس است، که دومین مولکول فراوان در جهان پس از هیدروژن مولکولی است. اگر CO را کنار بگذاریم، یکی از هر چند صد اتم کربن باقی‌مانده در پیرِن است. تصور کنید هزاران مولکول مختلف در آن‌جا وجود دارد، تقریباً همه‌ی آن‌ها با اتم‌های کربن مختلف، و یکی از هر چند صد در پیرِن است.” او ادامه می‌دهد: “این یک فراوانی فوق‌العاده است. یک انباشت تقریباً باورنکردنی از کربن. این یک جزیره‌ی بین‌ستاره‌ای از ثبات است.”

واکنش‌های علمی به کشف “پیرِن”

اویین ون دی‌شوک، استاد اخترفیزیک مولکولی در رصدخانه‌ی لیدن هلند، این کشف را “غافلگیرکننده و هیجان‌انگیز” توصیف کرد. او می‌گوید: “این کشف بر اساس یافته‌های پیشین آن‌ها از مولکول‌های آروماتیک کوچک‌تر است، اما جهش به خانواده‌ی پیرِن بسیار بزرگ است. این نه‌تنها نشان می‌دهد که بخش قابل‌توجهی از کربن در این مولکول‌ها قفل شده است، بلکه به مسیرهای شکل‌گیری متفاوتی از آروماتیک‌ها اشاره دارد که تا کنون در نظر گرفته نشده‌اند.” ون دی‌شوک در این تحقیق مشارکتی نداشته است.

پیامدهای کشف “پیرِن”

ابرهای بین‌ستاره‌ای مانند TMC-1، ممکن است در نهایت به ستارگان تبدیل شوند، زیرا توده‌های غبار و گاز به‌هم می‌پیوندند و به اجرام بزرگ‌تری تبدیل شده و شروع به گرم‌شدن می‌کنند. سیارات، سیارک‌ها و دنباله‌دارها از برخی از گاز و غباری شکل می‌گیرند که اطراف ستارگان جوان وجود دارد. دانشمندان نمی‌توانند به گذشته نگاه کرده و ابر بین‌ستاره‌ای را که به منظومه‌ی شمسی ما منجر شده است، مشاهده کنند، اما کشف پیرِن در TMC-1، همراه با وجود مقادیر زیادی از پیرِن در سیارک ریوگو، این ایده را تقویت می‌کند که پیرِن می‌تواند منبع بسیاری از کربن‌های موجود در منظومه‌ی شمسی ما باشد. مک‌گوایر می‌گوید: “ما اکنون، با اطمینان می‌توانم بگویم، قوی‌ترین شواهد مستقیم از این وراثت مولکولی را، از ابر سرد تا سنگ‌های واقعی در منظومه‌ی شمسی در اختیار داریم.”

پژوهشگران در حال برنامه‌ریزی هستند تا به جستجوی مولکول‌های بزرگ‌تر PAH در TMC-1 بپردازند. آن‌ها همچنین امیدوارند به این سؤال پاسخ دهند که آیا پیرِن یافت‌شده در TMC-1 در داخل ابر سرد شکل گرفته است یا این‌که از مکان دیگری در کیهان آمده است، احتمالاً از فرآیندهای احتراق با انرژی بالایی که در اطراف ستارگان در حال مرگ وجود دارد. این پژوهش، بخشی از بودجه‌ی خود را از جوایز بنیاد بکمن برای پژوهشگران جوان، بنیاد خانواده اشمیت، بنیاد ملی علوم ایالات متحده، شورای پژوهش‌های طبیعی و مهندسی کانادا، مرکز اخترزیست‌شناسی گودارد، و برنامه‌ی تأمین مالی داخلی دانشمندان بخش علوم سیاره‌ای ناسا دریافت کرده است.