مقدمه: بازسازی مولکول بنیادین کیهان
تیمی از محققان برای نخستین‌بار در تاریخ، موفق شدند که قدیمی‌ترین و اولین مولکول جهان را در شرایط آزمایشگاهی بازسازی کنند. این مولکول باستانی که «یون هیدرید هلیوم» (HeH⁺) نام دارد، نقش حیاتی و بسیار مهمی را در تکامل اولیه کیهان ایفا کرده است؛ نقشی که پیش از این کمتر مورد توجه قرار گرفته بود. این دستاورد مهم نه تنها به دانشمندان کمک می‌کند تا درک بهتری از واکنش‌های شیمیایی بنیادین در لحظات آغازین هستی داشته باشند، بلکه دریچه‌های جدیدی را برای حل معمای چگونگی تولد اولین ستارگان باز می‌کند.
پس از واقعه عظیم بیگ‌بنگ، کیهان به مدت تقریباً ۳۸۰ هزار سال، چیزی جز یک «سوپ داغ و یونیزه» از دو عنصر اصلی هیدروژن و هلیوم نبود. در این دوره ابتدایی، دمای جهان به قدری بالا بود که اتم‌ها نمی‌توانستند پیوندهای مولکولی پایداری تشکیل دهند و الکترون‌ها آزادانه در فضا حرکت می‌کردند. این وضعیت، مانعی بزرگ بر سر راه شکل‌گیری هرگونه ساختار پیچیده‌تر بود.
به تدریج با گسترش و سرد شدن کیهان، شرایط برای شکل‌گیری ساختارهای پیچیده‌تر فراهم شد. در ابتدا، اتم‌های خنثی هیدروژن و هلیوم به وجود آمدند و سپس، در یک گام تکاملی مهم، اولین مولکول‌ها نیز شروع به شکل‌گیری کردند. از میان تمام این ساختارهای نوپا، یون هیدرید هلیوم به عنوان پیشگام‌ترین مولکول، از اهمیت ویژه‌ای برخوردار بود و پایه و اساس شیمی کیهان را بنا نهاد.
عصر تاریکی کیهان و نقش HeH⁺
«یون هیدرید هلیوم» از ترکیب یک اتم خنثی هلیوم و یک هسته یونیزه هیدروژن (یک پروتون) به وجود آمد. این مولکول ساده اما قدرتمند، نه تنها نقطه عطفی در شیمی کیهان بود، بلکه نقشی محوری در پایان دادن به دوره‌ای موسوم به «عصر تاریکی» کیهان داشت. عصر تاریکی به دوره‌ای پس از بیگ‌بنگ اشاره دارد که در آن، هنوز ستاره‌ای متولد نشده بود و جهان در تاریکی مطلق فرو رفته بود. این دوران، چالشی بزرگ برای کیهان‌شناسان است.
برای اینکه اولین ستارگان بتوانند شعله‌ور شوند و به کیهان روشنایی بخشند، نیاز بود که ابرهای عظیم گازی، به اندازه‌ای سرد شوند که بتوانند تحت نیروی گرانش خود فشرده شده و رمبش کنند. اما در دماهای بسیار پایین و شرایط حاکم بر کیهان اولیه، اتم‌های هیدروژن به تنهایی قادر به دفع مؤثر گرما از خود نبودند. آنها انرژی لازم برای آغاز فرآیند همجوشی هسته‌ای را به راحتی از دست نمی‌دادند، که این مسئله مانع از چگالش ماده می‌شد.
اینجاست که مولکول‌هایی مانند HeH⁺ وارد صحنه شدند و نقشی حیاتی به عنوان «خنک‌کننده» ایفا کردند. این مولکول‌ها با جذب انرژی از گازهای اطراف و انتشار آن به صورت فوتون، به کاهش دمای ابرها کمک می‌کردند و راه را برای فروپاشی گرانشی و تشکیل اولین ستاره‌ها هموار می‌ساختند. درک دقیق سازوکار این مولکول‌ها برای رمزگشایی از چگونگی آغاز عصر ستارگان و روشنایی کیهان ضروری است. بدون حضور این خنک‌کننده‌های مولکولی، فرآیند شکل‌گیری ستارگان می‌توانست به طور قابل توجهی کندتر یا حتی غیرممکن باشد.
شبیه‌سازی شیمی باستانی در آزمایشگاه
برای اینکه دانشمندان بتوانند سرنوشت دقیق این مولکول باستانی و تأثیر آن بر شیمی کیهان اولیه را درک کنند، تیم تحقیقاتی در مؤسسه فیزیک هسته‌ای ماکس پلانک آلمان تصمیم گرفتند یکی از مهم‌ترین واکنش‌های شیمیایی آن دوران را در شرایط کنترل شده آزمایشگاهی بازسازی کنند. این واکنش خاص، مسیر اصلی نابودی مولکول HeH⁺ و در عین حال، یکی از مسیرهای کلیدی برای تشکیل هیدروژن مولکولی (H₂)، یعنی سوخت اصلی ستارگان، به شمار می‌رفت.
این آزمایش پیچیده با استفاده از ابزار منحصر به فردی به نام «حلقه ذخیره‌سازی کرایوژنیک» (CSR) انجام شد. CSR یک حلقه خلاء با قطر ۳۵ متر است که قابلیت دستیابی به دماهای فوق‌العاده پایین را دارد. در این محیط، یون‌های HeH⁺ در دمای باورنکردنی منفی ۲۶۷ درجه سانتی‌گراد (نزدیک به صفر مطلق) به دام افتادند تا شرایط دما و چگالی کیهان اولیه با دقت هرچه تمام‌تر شبیه‌سازی شود. این شرایط دقیق، کلید واژگشایی از رفتارهای مولکولی در آغازین‌ترین لحظات هستی بود.
سپس، این یون‌های HeH⁺ با پرتویی از «دوتریوم» (یک ایزوتوپ سنگین‌تر از هیدروژن با یک پروتون و یک نوترون) برخورد داده شدند. هدف اصلی از این برخوردها، اندازه‌گیری دقیق سرعت واکنش و چگونگی تجزیه HeH⁺ و تشکیل مولکول‌های جدید بود. هرچند این آزمایش در مقیاس بسیار کوچک‌تر از کیهان واقعی انجام شد، اما توانست تصویری دقیق از فرآیندهایی که میلیاردها سال پیش رخ داده‌اند، ارائه دهد. داده‌های جمع‌آوری شده از این برخوردها، به دانشمندان اجازه داد تا نرخ‌های واکنش را با دقت بی‌سابقه‌ای محاسبه کنند و آنها را با مدل‌های نظری موجود مقایسه نمایند. این روش، یک گام بسیار مهم در تأیید یا رد فرضیات ما درباره شیمی آغازین جهان است و نشان‌دهنده توانایی‌های بی‌نظیر فیزیک تجربی در کاوش عمیق‌ترین اسرار کیهان است.
نتیجه‌گیری غیرمنتظره: سرعتی ثابت در دمای پایین
نتایج حاصل از این آزمایش، برخلاف پیش‌بینی‌های قبلی و نظریه‌های رایج، بسیار شگفت‌انگیز بود و دانش ما را در مورد فیزیک کیهانی به چالش کشید. نظریه‌های پیشین بر این فرض استوار بودند که سرعت واکنش نابودی یون هیدرید هلیوم در دماهای بسیار پایین کیهان اولیه، به طرز چشمگیری «کُند» می‌شود. این کند شدن واکنش می‌توانست تأثیرات عمیقی بر چگونگی تکامل شیمیایی جهان پس از بیگ‌بنگ داشته باشد، به خصوص در فرآیندهای مربوط به تشکیل مولکول‌های پیچیده‌تر و ستاره‌ای.
اما آزمایش در حلقه ذخیره‌سازی کرایوژنیک نشان داد که سرعت این واکنش حتی در دماهای فوق‌العاده پایین و نزدیک به صفر مطلق نیز تقریباً «ثابت» باقی می‌ماند. این پایداری در سرعت واکنش، یک کشف انقلابی است، زیرا به این معنی است که HeH⁺ ممکن است بسیار سریع‌تر از آنچه پیش‌بینی می‌شد، واکنش داده و به سایر مولکول‌ها، از جمله هیدروژن مولکولی (H₂)، تبدیل شده باشد. این موضوع، پیامدهای گسترده‌ای برای مدل‌سازی‌های کیهان‌شناسی و درک ما از ترکیب اولیه جهان دارد.
از آنجایی که سرعت این واکنش مستقیماً بر غلظت مولکول‌های خنک‌کننده (مانند HeH⁺) و همچنین بر میزان تولید «هیدروژن مولکولی» (H₂)، که به عنوان سوخت اصلی برای شکل‌گیری ستارگان عمل می‌کند، تأثیر می‌گذارد، این یافته جدید به حل معمای چگونگی شکل‌گیری و سرعت تشکیل اولین ستارگان کمک شایانی می‌کند. درک دقیق‌تر این فرآیندها، به دانشمندان اجازه می‌دهد تا با دقت بیشتری «عصر تاریکی» کیهان را مدل‌سازی کرده و به روشن شدن رازهای این دوره مرموز، که پیش از ظهور اولین نورهای کیهانی وجود داشته است، بپردازند. این نتایج نشان می‌دهد که شیمی کیهان اولیه پویا‌تر از تصورات قبلی بوده است.
پیامدهای کشف برای درک کیهان اولیه
این پژوهش، تنها یک آزمایش شیمیایی ساده نیست؛ بلکه گامی بزرگ در جهت پرده‌برداری از یکی از عمیق‌ترین رازهای کیهان، یعنی چگونگی طلوع اولین ستارگان و پایان عصر تاریکی است. کشف اینکه واکنش HeH⁺ در دماهای پایین ثابت می‌ماند، ممکن است به این معنا باشد که فرآیند خنک‌سازی و تشکیل H₂ در کیهان اولیه کارآمدتر از تصور قبلی بوده است. این کارایی بالاتر می‌توانست باعث شود ستارگان اولیه سریع‌تر و شاید در مناطق بیشتری از کیهان شکل بگیرند و به سرعت به تاریکی کیهان پایان دهند.
این یافته‌ها به کیهان‌شناسان اجازه می‌دهد تا مدل‌های خود را برای «عصر باز یونیزاسیون» (Epoch of Reionization) که دوره‌ای پس از عصر تاریکی است و طی آن، نور اولین ستارگان و کوازارها، هیدروژن خنثی کیهان را دوباره یونیزه کرد، دقیق‌تر تنظیم کنند. با در نظر گرفتن نرخ واکنش‌های جدید، می‌توانیم تصویر واضح‌تری از نحوه پر شدن کیهان با نور و انرژی به دست آوریم.
این تحقیق نه تنها یک دستاورد بزرگ در فیزیک اتمی و مولکولی است، بلکه به ما کمک می‌کند تا زنجیره رویدادهایی که از بیگ‌بنگ تا تشکیل کهکشان‌ها و ستارگانی که امروز می‌بینیم، منجر شد را بهتر درک کنیم. دانش ما در مورد شرایط دقیق کیهان در زمانی که تنها چند صد هزار سال از عمر آن می‌گذشت، به کمک چنین آزمایش‌هایی به طرز چشمگیری افزایش می‌یابد و افق‌های جدیدی را برای تحقیقات آینده باز می‌کند.
در نهایت، نتایج این پژوهش برجسته در ژورنال معتبر Astronomy and Astrophysics منتشر شده است. این کشف، بار دیگر اهمیت همکاری بین رشته‌های مختلف علمی، از فیزیک تجربی گرفته تا کیهان‌شناسی نظری، را برای پیشرفت درک ما از جهان هستی آشکار می‌سازد.
