سرنخ‌هایی برای حل رازی قدیمی در منظومه‌ی شمسی!
مجله علمی ایلیاد - بزرگ‌ترین قمر زحل، یعنی «تیتان»، از لحاظ تراکم و جو غنی از نیتروژن که شامل هیدروکربن‌ها و سایر ترکیبات نیز است، در میان تمام قمرهای منظومه‌ی شمسی منحصر به فرد است و داستان مربوط به تشکیل این ترکیب شیمیایی غنی، منشاء برخی بحث‌های علمی بوده است. در حال حاضر، یک همکاری تحقیقاتی، شامل دانشمندانی در بخش علوم شیمی در آزمایشگاه ملی لارنس برکلی، مکانیسم شیمیایی کم‌دمایی را تنظیم کرده‌اند که منجر به تشکیل مولکول‌های چندحلقه‌ای می‌شود؛ پیشمادههای شیمی پیچیده‌تری که در حال حاضر در لایه‌ی غباری قهوه‌ای و نارنجی ماه یافته می‌شود.
این مطالعه، به رهبری «رالف کایسر» از دانشگاه هاوایی در مانوآ که در مجله‌ی Nature Astronomy منتشر شده است، با نظریه‌هایی متناقض است که بیان دارند، برای ساخت آرایش شیمیایی که ماموریت‌های ماهواره‌ای، در جو تیتان مشاهده کرده‌اند، به مکانیسم‌های واکنش با دمای بالا نیاز است. این گروه، شامل پژوهشگرانی از آزمایشگاه برکلی هاوایی در مانوآ، دانشگاه سامارا در روسیه و دانشگاه بین‌المللی فلوریدا نیز بود. این گروه تحقیقاتی، از آزمایشات نور ماوراء بنفش خلا در منبع نور پیشرفته‌ی «ALS» آزمایشگاه برکلی و همچنین مدل‌سازی‌ها و شبیه‌سازی‌های کامپیوتری استفاده کردند، تا واکنش‌های شیمیایی‌ای که موجب شیمی جوی امروزیِ تیتان می‌شود را نشان دهند.
«مسعید احمد»، دانشمند بخش علوم شیمی آزمایشگاه برکلی و یکی از رهبران ALS، می‌گوید: «ما در اینجا شواهدی را برای مسیر واکنش کم‌دمایی که افراد در مورد آن فکر نکرده‌اند، ارائه می‌دهیم. این باعث بهبود پیوند از دست رفته در شیمی تیتان می‌شود.» وی توضیح داد که تیتان سرنخ‌هایی برای توسعه‌ی شیمی پیچیده روی سایر قمرها و سیارات از جمله زمین، به دست می‌دهد. وی گفت: «مردم از تیتان استفاده می‌کنند تا درمورد زمینِ قبل از حیات، یعنی وقتی نیتروژن در جو اولیه‌ی زمین بسیار غالب‌تر بود، فکر کنند.»
بنزن، هیدروکربن ساده‌ای با ساختار مولکولی یک حلقه‌ای و شش کربنی، روی تیتان شناسایی شده است و اعتقاد بر این است که بنزن، عنصر حیاتی‌ای برای مولکول‌های هیدروکربنی بزرگ‌تر، با ساختارهای دو و سه حلقه‌ای باشد که این به نوبه‌ی خود سایر هیدروکربن‌ها و ذرات آئرویل که اکنون جو تیتان را تشکیل می‌دهند را می‌سازد. این مولکول‌های هیدروکربنی چندحلقه‌ای، با نام هیدروکربن‌های اروماتیک چندحلقه‌ای «PAHs» شناخته می‌شوند. این نمودار، محاسبات برای سطوح بالقوه‌ی انرژی در فرآیندهای واکنش شیمیایی، شامل رادیکال‌های نفتیل و گازهای وینیل استیلن را نشان می‌دهد. ترکیب این گازها می‌تواند تعدادی ترکیب، از جمله ترکیبات سه حلقه‌ای و بیشتر را تولید کند. پژوهشگران در آخرین تحقیق خود، دو گاز شامل، یک گاز PAH دو حلقه‌ای با عمر کوتاه به نام «رادیکال نفتیل یا C10H7» و هیدروکربنی به نام «وینیل استیلن یا C4H4» را در ALS ترکیب کردند و در این فرآیند، PAHs سه‌حلقه‌ای تولید کردند. بر اساس آنچه که از آرایش شیمیایی جو تیتان می‌دانیم، نتیجه گرفته شد که هر دو ماده‌ی شیمیایی به‌کاررفته برای ایجاد این واکنش، روی تیتان وجود دارند.
آزمایشات ASL، محصولات نهایی واکنش‌ها را از محفظه‌ی کوچک واکنش به دست داد. محققان از آشکارسازی به نام «طیف‌سنج جرمی بازتابنده» استفاده کردند تا جرم قطعات مولکولی تولیدشده در واکنش این دو گاز را اندازه‌گیری کنند. آن آزمایش‌ها، جزئیاتی را در مورد شیمی PAHs سه‌حلقه‌ای «فنانترن و انتراسن» ارائه می‌دهد. در حالی که در آزمایشات ASL، برای شبیه‌سازی واکنش شیمایی از واکنش‌گر شیمیایی و برای تشخیص محصولات واکنش از پرتوی نور ماوراء بنفش خلاء استفاده شد، محاسبات و شبیه‌سازی‌ها نشان داد که چگونه مواد شیمیایی تشکیل‌شده در آزمایشات ASL، به دماهای بالا نیاز ندارند.
کیاسر گفت: «PAHs هم مانند مواد شیمایی مورد مطالعه در ASL، دارای خواصی است که شناسایی آن‌ها را در فضاهای عمیق‌تر دشوار می‌سازد. درواقع در فاز گازی محیط بین‌ستاره‌ای، فقط یک PAH واحد شناسایی نشده است؛ PAH ماده‌ای است که فضای بین ستاره‌ها را پُر می‌کند. مطالعه‌ی ما نشان می‌دهد که PAHs بیش از آنچه پیش‌بینی شده بود، گسترش یافته‌اند، زیرا به دماهای بالایی که در اطراف ستارگان کربنی است، نیازی ندارند. پیش‌بینی شده که این مکانیسم، مورد بررسی ما تطبیق‌پذیر باشد و انتظار می‌رود که منجر به تشکیل PAHs پیچیده‌تر نیز شود.»
وی افزود: «از آنجایی که PAHs به عنوان پیشمادههای تشکیل ابرهای مولکولی، به اصطلاح کارخانه‌های مولکولیِ مولکول‌های آلی پیچیده‌تر که شامل پیشمادههای حیات است، تلقی می‌شود، درنتیجه می‌تواند نظریه‌ها و مدل‌های جدیدی از منشاء و نحوه‌ی تکامل مواد حاوی کربن در فضای عمیق و در جوهای غنی سیارات و قمرهای آن‌ها در منظومه‌ی شمسی ما، ارائه دهد.»
«الکساندر ام. مبل»، استاد شیمی دانشگاه بین‌المللی فلوریدا و یکی از رهبران این مطالعه، محاسباتی را انجام داد که نشان می‌دهد واکنش‌دهنده‌ها چگونه می‌توانند به طور طبیعی، با هم ترکیب شوند و در دماهای بسیار پایین، ترکیبات جدیدی را تشکیل دهند. دانشمندان در هنگام ترکیب دو گاز، یکی دارای ساختار مولکولی دوحلقه‌ای به نام رادیکال‌های نفتیل و دیگری دارای هیدروکربنی به نام وینیل استیلن شیمی را بررسی کردند. مبل گفت: «محاسبات ما، مکانیسم واکنش را آشکار ساخت. ما نشان دادیم که برای واکنش دادن نفتیل و وینیل استیلن با یکدیگر، به هیچ انرژی‌ای نیاز نیست؛ بنابراین واکنش حتماً کارآمد است، حتی در شرایط جو کم‌فشار و کم‌دمای روی تیتان.» نکته‌ی مهم در این مطالعه، مدل‌سازی دقیق سلول واکنش‌گر که گازها در آن ترکیب شدند، بود.
مبل خاطرنشان کرد که مدل‌سازی انرژی‌ها و شبیه‌سازی دینامیک جریان گاز در واکنش‌گر، به نظارت بر پیشرفت واکنش درون واکنش‌گر کمک می‌کند و به محققان این امکان را می‌دهد تا نتایج نظری را با مشاهدات تجربی، پیوند دهند. این کار مدل‌سازی که بر اساس گازهای اولیه و دما و فشار محفظه‌ی گرم‌شده‌ای که گازها در آن ترکیب می‌شوند و با پرتوی فرابنفش خلاء به آن‌ها ضربه وارد می‌شود، به پیش‌بینی مواد شیمیایی تولیدشده در واکنش‌ها کمک می‌کند، توسط این گروه تحقیقاتی در دانشگاه سامارا، انجام شد.
دانشمندان افزودند: «این بازبینی و تایید مدل، با مقایسه‌ی آن با آزمایشات، می‌تواند در پیش‌بینی نحوه‌ی انجام‌شدن واکنش در شرایط متفاوت، از جو تیتان گرفته تا شعله‌های احتراق روی زمین، مفید و کمک‌کننده باشد.» کیاسر گفت: «هدف این تحقیق مستمر، آشکار ساختن جزئیات این موضوع است که ترکیبات حاوی کربن با ساختارهایی مشابه با دی‌ان‌ای و آر‌ان‌ای، چگونه می‌توانند حتی در محیط‌های سخت هم ایجاد شوند و توسعه یابند.
نوشته: LBNL
ترجمه: زهرا جهانبانی - مجله علمی ایلیاد
ترجمه: زهرا جهانبانی - مجله علمی ایلیاد