اخترشیمی چیست؟ – ارتباط آن با رشته های دیگر

به علمی که به مطالعه عناصری شیمیایی که مربوط به بیرون منظومه شمسی هستند می پردازد، اخترشیمی می گویند. همچنین این علم می تواند چگونگی تشکیل، واکنش ها و فروپاشی این عناصر را نیز بررسی کند. هماهنگی این علم با علومی چون شیمی و اخترشناسی است. بررسی علم اخترشیمی در کتاب زیست دهم بررسی شده است. علم شیمی توسط علم اختر شیمی در زمینه ستاره شناسی گسترش داده می شود. مقاله نشریه جهان شیمی فیزیک حاضر ما را با تعریف این علم و روابط آن با علومی چون شیمی و ستاره شناسی نشان می دهد.

اخترشیمی چیست؟

علم اخترشیمی علمی است که علاوه بر این که دایره بزرگی از علم ستاره شناسی را در خود جای داده است، بلکه دانش شیمی را نیز در حوزه اخترشناسی وارد و گسترش می دهد. این دانش به بررسی و شناسایی کیهان با استفاده از دانش شیمی می پردازد. به عبارتی با مطالعه علم اختر شیمی می توان به چگونگی به وجود آمدن تمام اتم های جدول تناوبی و همچنین تاریخچه پیدایش آن ها پی برد.

از نظر نام گذاری اخترشیمی را می توان ترکیب دو کلمه علم اخترشناسی و شیمی دانست. به عبارتی این علم به مطالعه منظومه شمسی و نواحی بین ستاره ای آن ها می پردازد. با علم اخترشیمی به چگونگی تشکیل و تکوین اتم ها و مولکول های هیدروژن و هلیم پرداخته می شود. این که این مولکول ها چطور با هم ترکیب شده و ستارگان و خوشه های ستاره ای را به وجود می آورند، با مطالعه اختر شیمی امکان پذیر است.

ارتباط اخترشیمی با رشته های دیگر

به علمی که به مطالعه فراوانی عنصرهایی که در اجزای منظومه شمسی وجود دارد و همچنین مطالعه نسبت های ایزوتوپی آن ها می پردازد، کیهان شیمی می گویند. این اجزا می تواند شهاب سنگ ها باشند. علم اختر فیزیک هم به مطالعه پرتوها و خود اتم ها و مولکول های بین ستاره ای می پردازد. زیست شناسی نجومی هم به علمی گفته می شود که به بررسی تشکیل دنیای خاکی ابتدایی از ورود مولکول های آلی فضایی به سطح زمین می پردازد.

از دیگر رشته های مرتبط با اختر شیمی، شیمی اتمسفری است که به مطالعه اتمسفری سیاره های خاکی می پردازد. با این مطالعه می توان به اطلاعات زیادی درباره ی فرایندهایی رسید که در جو و اتمسفر اتفاق افتاده اند.

چگونگی تشکیل اتم ها و مولکول ها

انفجار بیگ بنگ عامل پیدایش کل انرژی و ماده ای است که در جهان هستی وجود دارد. در همان لحظات اولیه ای که جهان به وجود آمده، انرژی وجود داشته است، ولی ماده و ذرات اولیه وقتی به وجود آمدند که بین اشعه گاما فوتون و نوترینوها، واکنش اتفاق افتاد. ماده اولیه کیهانی با ترکیب ذرات بنیادی اولیه در یک نقطه و با آزاد کردن انرژی زیاد به کیهان، در لحظه انفجار به وجود می آید. این رها شدن انرژی دلیل انبساط آن می شود.

دمای اولیه ساخت و ساز هسته اتم ها بعد از این که مدت سه دقیقه از انفجار بیگ بنگ گذشت، کم شده و ترکیب پروتون ها و نوترون ها انجام شده و دوتریوم تشکیل می شود. وقتی دوتریوم بدست آمده با پروتون واکنش دهد، ایزوتوپ دوم هلیوم تشکیل می شود. از ترکیب بین دوترون با نوترون نیز، ایزوتوپ سوم هیدروژن (تریتیوم) به دست می آید. از بین این ایزوتوپ ها تریتیوم دارای عمر ۱۲ ساله و مقاومت پایداری کمی است. وقتی دو اتم هلیوم با هم واکنش دهد، بریلیوم و وقتی هلیوم با هیدروژن واکنش دهد، لیتیم تشکیل می شود.

پس اتم اولیه هیدروژن در نتیجه واکنش و ترکیب پروتون ها و الکترون ها شکل گرفته است. این واکنش در حدود ۳۰۰ هزار سال پیش و وقتی که دمای کیهان کاهش پیدا کرد، شکل گرفت. با ترکیب دو اتم هیدروژن بود که اولین مولکول هیدروژن نیز شکل گرفت.

مولکول های فضایی

در سحابی ها و ستاره های دنباله دار می توان مولکول های فضایی را یافت که در کهکشان در اتمسفر سیارات و ستاره ها وجود دارند. جو و اتمسفر سیاره ها در بازه زمانی یک میلیون سال به وجود آمده است. مولکول های فضایی از فرایندهایی چون شوک های فضایی و تشعشعاتی با انرژی های زیاد تشکیل می شوند. همان طور که در بالا نیز اشاره شد، اتم ها نتیجه واکنش های جوش هسته ای در مرکز ستاره ها هستند. از این اتم ها در خارج از ستاره ها، ابرهای سحابی و از تراکم ابرهای فشرده شده، سیارات به وجود می آیند.

اخترشیمیدان کیست؟

اختر شیمیدان به کسی گفته می شود که ترکیبات موجود در نقاط کهکشانی را با روئیت طیف های نوری به دست آمده از منظومه شمسی، جهان و کهکشان تشخیص می دهند. حتی این افراد می توانند ترکیبات موجود در ساختارهای فضایی را، در آزمایشگاه ها بسازند. همچنین یک اخترشیمیدان می تواند احتمال این که چه آزمایش هایی در فضا ممکن است اتفاق بیفتد را بررسی می کنند. این کار نیز با بررسی مولکول های فضا و واکنش های آن ها پیش بینی می شود.

طیف سنجی

طیف سنجی و به کار بردن تلسکوپ برای این است که بتوان میزان جذب و یا نشر نور را در یک اتم و یا مولکول اندازه گرفت. با این علم می توان به ترکیبات ستاره ها و ابرهای بین ستاره ای، دمای آن ها و همچنین فراوانی عنصرهای آن ها با اطلاعاتی که از اندازه گیری های آزمایشگاهی به دست آمده و مقایسه آن ها به مشاهدات نجومی، پی برد. چون هر کدام از اتم ها، مولکول ها و یون ها دارای طیف های مخصوصی که جذب و نشر طول موج های خاصی از نور هستند، را دارند.

با این وجود در این روش نیز ممکن است محدودیت هایی وجود داشته باشد. به عبارتی فقط تعداد گونه های فضایی مشخصی را، با وجود استفاده از تمام پرتوهای رادیو، مرئی، فرابنفش، مادون قرمز و… می توان با استفاده از طیف سنجی به دست آورد. به عنوان اولین ماده ی بین ستاره ای که با استفاده از طیف ها شناسایی شد فرمالدهید را می توان نام برد. این مولکول یک ماده آلی چند اتمی است.

مثال هایی از مواد بین ستاره ای شناسایی شده با طیف سنجی

بیشتر از صد گونه از رادیکال ها، یون ها و ترکیبات آلی مانند الکل ها، آلدهیدها، کتون ها و اسیدها که در بین ستاره ها هستند، توسط طیف سنجی پرتو رادیویی شناسایی می شوند. مونوکسید کربن از مهمترین مواد بین ستاره ای است که توسط امواج رادیویی شناسایی شده است. شناسایی این مولکول به این دلیل آسان است که دارای ممان دوقطبی الکتریکی قوی است. استفاده از مونوکسید کربن در منظم کردن نواحی مولکولی است.

روش های طیف سنجی از طریق امواج رادیویی که برای موکلول های دارای ممان دوقطبی الکتریکی مناسب هستند، برای شناسایی مولکول های پیچیده ای چون آمینواسیدها نمی توانند دقیق باشند. همچنین برای شناسایی مولکول هیدروژن (H_۲) این سیستم مفید نیست. چون به دلیل نداشتن ممان دوقطبی، در تلسکوپ رادیویی نامرئی است. از این روش برای شناسایی مولکول های گازی نیز استفاده نمی شود.

برای شناسایی گازهایی مانند هیدروژن از پرتوهای نور فرابنفش و مرئی استفاده می شود. جذب و نشر ترکیبات آلی در محدوده پرتوهای مادون قرمز (IR) است. به عنوان مثال با استفاده از تلسکوپ های زمینی مادون قرمز، متان را در اتمسفر سیاره مریخ شناسایی کردند.