این مواد در قالب ابرهای میانستارهای عظیم—انبوهی از یخ، گاز و غبار که پهنههایی به وسعت چندین سال نوری را در بر میگرفتند—در فضا شناور بودند. در دل این ابرهای سرد و خاموش، بذرهای شیمیایی همهچیز نهفته بود؛ از سیارات سنگی گرفته تا غولهای گازی، و شاید حتی نخستین زمینههای پیدایش حیات.
اینکه این مواد اولیه چگونه و از چه مسیر پیچیدهای به جهانهایی مانند زمین تبدیل شدند، یکی از قدیمیترین و بنیادیترین پرسشهای اخترشناسی است. پرسشی که نسلهای متعددی از دانشمندان را به خود مشغول کرده و هنوز پاسخی کامل برای آن وجود ندارد. اکنون، مؤسسه پژوهشی جنوبغربی آمریکا (Southwest Research Institute) با راهاندازی یک آزمایشگاه جدید، گامی بلند برای حل این معما برداشته است.
این آزمایشگاه که آزمایشگاه منشأ سحابی جهان (Nebular Origins of the Universe Research Laboratory – NOUR) نام دارد، به سرپرستی دکتر دانا قاسم، پژوهشگر ارشد این مؤسسه، فعالیت خود را آغاز کرده است. هدف اصلی این آزمایشگاه، بازسازی شرایط بسیار افراطی و خاصی است که پیش از شکلگیری سیارات وجود داشتهاند؛ شرایطی که در آنها، مواد اولیهی میانستارهای مسیر شیمیایی طولانی خود را از ابرهای سرد فضایی تا سطح سیارات طی کردهاند.
رویکرد اصلی این آزمایشگاه بر شبیهسازی استوار است. پژوهشگران با استفاده از دو محفظه خلأ پیشرفته، مراحل مختلف شیمی فضا را که در اعماق کیهان رخ میدهد، بازآفرینی میکنند. هر یک از این محفظهها نمایانگر بخشی متفاوت از فرایندهای شیمیایی پیشاسیارهای هستند.
محفظه نخست، شرایط حاکم بر ابرهای تاریک میانستارهای را شبیهسازی میکند؛ محیطهایی که دما در آنها تنها چند درجه بالاتر از صفر مطلق است. در چنین سرمای شدیدی، اتمها و مولکولها روی دانههای غبار پوشیده از یخ مینشینند و بهآرامی واکنش میدهند. درست در همین محیطهای سرد و خاموش است که مولکولهای آلی پیچیده شکل میگیرند؛ مولکولهایی که بعدها میتوانند پایههای شیمیایی سیارات و حتی حیات باشند.
محفظه دوم، مرحلهی بعدی این داستان کیهانی را بازسازی میکند: زمانی که این یخها در معرض تابش فرابنفش ستارهای قرار میگیرند. چنین تابشی میتواند واکنشهای شیمیایی پرانرژیتری را آغاز کند و مولکولهایی حتی پیچیدهتر بسازد. برخی از این مولکولها، اجزای سازندهی مولکولهای حیاتی مانند DNA و RNA هستند؛ موادی که نقش اساسی در شکلگیری و تداوم حیات ایفا میکنند.
دکتر دانا قاسم در توضیح اهداف این آزمایشگاه میگوید:
«ما در حال بررسی شیمی یخ، گاز و غباری هستیم که از پیش از تولد منظومه شمسی وجود داشتهاند. هدف ما این است که این نقاط پراکنده را به هم وصل کنیم و بفهمیم موادی که در آن ابرهای میانستارهای بودند، در نهایت چگونه به سیارات تبدیل شدند. با شبیهسازی شرایط فیزیکی و شیمیایی این محیطهای پیشاسیارهای، میتوانیم خلأهای مهم دادهای را پر کنیم و بینشهایی فراهم آوریم که مأموریتهای آینده ناسا برای دستیابی به اهداف خود به آنها نیاز دارند.»
تمرکز این آزمایشگاه کاملاً با اولویتهایی همراستاست که در گزارش دههای آکادمیهای ملی علوم آمریکا در سال ۲۰۲۲ مطرح شدهاند؛ گزارشی که بر ضرورت درک بهتر منشأ منظومه شمسی، فرگشت سیارات و جستوجوی حیات تأکید دارد. بسیاری از مأموریتهای فضایی آینده، به چنین دانش بنیادیای وابستهاند.
برای نمونه، چشمانداز «از ماه تا مریخ» ناسا—که شامل برنامهریزی برای اکتشافات بلندمدت ماه و در نهایت مأموریتهای سرنشیندار به مریخ است—نیازمند درک دقیقی از توزیع آب و ترکیبات آلی در همسایگی سیارهای ماست. دانستن اینکه این مواد از کجا آمدهاند و چگونه در سیارات مختلف پراکنده شدهاند، نقشی کلیدی در موفقیت این مأموریتها دارد.
در گامهای نخست، پژوهشهای آزمایشگاه NOUR بر دو عنصر حیاتی متمرکز خواهد بود: گوگرد و فسفر. این دو عنصر برای شکلگیری حیات به شکلی که ما میشناسیم، ضروریاند. دانشمندان میخواهند بفهمند این عناصر چگونه میلیاردها سال پیش وارد بلوکهای سازندهی سیارات شدند و چه مسیر شیمیاییای را طی کردند.
اما فعالیت این آزمایشگاه تنها به ساخت مولکولها در محفظههای خلأ محدود نمیشود. پژوهشگران همچنین قصد دارند نمونههایی را که از ماه، سیارکها، دنبالهدارها و در آینده از مریخ به زمین بازگردانده میشوند، با استفاده از طیفسنج جرمی–کروماتوگرافی مایع تحلیل کنند. این مقایسه میان شیمی بازسازیشده در آزمایشگاه و مواد واقعی فضایی، امکان بررسی صحت مدلها و شبیهسازیها را فراهم میکند.
پیامدهای این پژوهشها فراتر از کنجکاوی علمی صرف است. با شناخت دقیقتر موجودی شیمیایی محیطهای پیشاسیارهای، دانشمندان میتوانند نشانگرهای شیمیایی بالقوهی حیات را شناسایی کنند و تشخیص دهند که آیا این نشانگرها حاصل فرایندهای زیستیاند یا صرفاً میراثی از مراحل اولیهی شکلگیری منظومههای سیارهای.
بهنوعی، این پژوهشها نوعی کارآگاهی کیهانی هستند؛ دنبال کردن ردپای مولکولها در طول میلیاردها سال، از ابرهای سرد میانستارهای تا سیاراتی که امروز میبینیم. ردپایی که ما را به ریشههای پیدایش جهانهای سیارهای و شاید حتی به پاسخ یکی از بنیادیترین پرسشهای بشر نزدیکتر میکند:
ما از کجا آمدهایم و آیا در جهان تنها هستیم؟