تلسکوپ فضایی جیمز وب برای نخستین بار نوعی تابش بسیار ضعیف از یون هیدروژن سه‌اتمی (H₃⁺) را شناسایی کرده است؛ سیگنالی که دانشمندان از حدود ۴۰ سال پیش وجود آن را پیش‌بینی می‌کردند، اما تاکنون موفق به ثبت مستقیمش نشده بودند. این کشف می‌تواند درک اخترشناسان از شرایط فیزیکی اطراف ستاره‌های تازه‌متولدشده و واکنش‌های شیمیایی میان گازهای میان‌ستاره‌ای را بهبود دهد.
اهمیت این دستاورد فقط به ثبت یک سیگنال جدید محدود نمی‌شود. یون H₃⁺ یکی از عناصر کلیدی شیمی کیهانی است و نقش مهمی در شکل‌گیری مولکول‌های پیچیده‌تر در فضای میان ستاره‌ها دارد.
چرا این تابش «ممنوعه» نامیده می‌شود؟
یون H₃⁺ از سه هسته هیدروژن و دو الکترون تشکیل شده است. این ساختار تقریباً مثلثی و متقارن باعث می‌شود که یون موردنظر گشتاور دوقطبی دائمی نداشته باشد؛ ویژگی‌ای که در حالت عادی، امکان انتشار تابش هنگام چرخش مولکول را از آن می‌گیرد.
با این حال، در سال ۱۹۸۶ دو اخترفیزیک‌دان به نام‌های فو-شی پان و تاکشی اوکا محاسبه کردند که چرخش سریع H₃⁺ می‌تواند ساختار متقارن آن را اندکی تغییر دهد. این تغییر بسیار کوچک، گشتاور دوقطبی ضعیفی ایجاد می‌کند و در نتیجه امکان انتشار مقدار ناچیزی تابش فراهم می‌شود.
این گذارهای نوری به دلیل شدت بسیار کم و محدودیت‌های قواعد معمول تابش مولکولی، «ممنوعه» نام گرفته‌اند. البته این اصطلاح به معنای نقض قوانین فیزیک یا غیرممکن بودن انتشار نور نیست؛ بلکه نشان می‌دهد احتمال وقوع این فرایند بسیار پایین است.
پیش‌بینی سال ۱۹۸۶ تا چهار دهه بعد تأیید نشد؛ حتی آزمایش‌های آزمایشگاهی نیز حساسیت کافی برای ثبت این سیگنال ضعیف را نداشتند.
ستاره‌های تازه‌متولدشده چگونه به شناسایی سیگنال کمک کردند؟
گروه پژوهشی به سرپرستی دیوید نویفلد از دانشگاه جانز هاپکینز، داده‌های تلسکوپ جیمز وب را از یک ناحیه ستاره‌زایی به نام HH 168 بررسی کرد. این منطقه در مجموعه ستاره‌زایی قیفاووس A قرار دارد و از نوع اجرام هربیگ-هارو محسوب می‌شود.
اجرام هربیگ-هارو زمانی شکل می‌گیرند که ستاره‌های جوان، بخشی از مواد اطراف خود را در قالب فوران‌هایی پرسرعت به فضا پرتاب می‌کنند. این جریان‌ها با برخورد به ابرهای گازی اطراف، موج‌های ضربه‌ای قدرتمندی ایجاد می‌کنند که دمای گاز را به هزاران درجه می‌رساند و باعث انتشار نور می‌شود.
تابش فروسرخ جیمز وب می‌تواند از میان غبارهای متراکم اطراف ستاره‌های جوان عبور کند و جزئیاتی را آشکار سازد که مشاهده آن‌ها با تلسکوپ‌های معمولی دشوار است. همین قابلیت به پژوهشگران اجازه داد خطوط طیفی بسیار کم‌نور H₃⁺ را در میان تابش گازهای داغ شناسایی کنند.
شناسایی ۲۶ خط طیفی با اطمینان آماری بالا
پژوهشگران در داده‌های HH 168 موفق شدند ۲۶ خط طیفی مرتبط با گذارهای چرخشی ممنوعه یون H₃⁺ را شناسایی کنند. قوی‌ترین سیگنال ثبت‌شده دارای معناداری آماری ۷۲ سیگما بود؛ عددی که نشان می‌دهد احتمال تصادفی بودن این مشاهده بسیار ناچیز است.
بررسی‌ها همچنین نشان داد که پراکندگی تابش H₃⁺ با تابش هیدروژن مولکولی معمولی (H₂) در همان منطقه هم‌خوانی دارد. این موضوع نشان می‌دهد هر دو گونه شیمیایی احتمالاً تحت تأثیر شرایط فیزیکی مشابهی در گازهای داغ و فشرده قرار گرفته‌اند.
با این حال، هنوز توضیح کاملی برای شدت غیرمنتظره این تابش وجود ندارد. مدل‌های فعلی موج ضربه‌ای نتوانسته‌اند تمام مشاهدات را به‌طور هم‌زمان بازسازی کنند. یکی از مدل‌ها شدت تابش H₃⁺ را پنج تا شش برابر کمتر از مقدار مشاهده‌شده پیش‌بینی کرده است؛ مدل دیگر به نتیجه نزدیک‌تری رسیده، اما به شرایطی متکی است که اعتبار آن‌ها هنوز به‌طور کامل تأیید نشده است.
تأیید دوباره کشف در منطقه‌ای دیگر
پژوهشگران برای اطمینان بیشتر، داده‌های آرشیوی جیمز وب از جرم هربیگ-هارو دیگری به نام HH 211 را نیز بررسی کردند. آن‌ها در این منطقه هم نشانه‌های مشابهی از تابش ممنوعه H₃⁺ یافتند.
مشاهده این سیگنال در دو منطقه متفاوت اهمیت زیادی دارد؛ زیرا نشان می‌دهد این پدیده احتمالاً محدود به یک محیط خاص نیست و ممکن است در شرایط مناسب، در بخش‌های دیگری از جهان نیز رخ دهد.
چرا کشف این تابش برای اخترشناسی اهمیت دارد؟
یون H₃⁺ در واکنش‌های شیمیایی فضای میان‌ستاره‌ای نقش اساسی دارد. این یون به آغاز زنجیره‌ای از واکنش‌ها کمک می‌کند که در نهایت به شکل‌گیری مولکول‌های پیچیده‌تر منجر می‌شوند. به همین دلیل، شناخت بهتر رفتار آن می‌تواند اطلاعات ارزشمندی درباره چگونگی تحول شیمیایی ابرهای گازی و محیط‌های ستاره‌زایی در اختیار دانشمندان قرار دهد.
از سوی دیگر، تابش تازه شناسایی‌شده می‌تواند به ابزاری برای بررسی شرایط گازهای داغ و میزان یونیزه‌شدن آن‌ها تبدیل شود. البته برای استفاده دقیق از این روش، پژوهشگران باید ابتدا علت شدت بالای تابش و تفاوت آن با پیش‌بینی برخی مدل‌های فعلی را روشن کنند.
این پژوهش در نشریه The Astrophysical Journal Letters پذیرفته شده و نسخه پیش‌انتشار آن در پایگاه arXiv در دسترس قرار دارد. کشف جدید نشان می‌دهد جیمز وب نه‌تنها اجرام دوردست را با جزئیات بیشتری مشاهده می‌کند، بلکه می‌تواند پدیده‌هایی بسیار ظریف را آشکار کند که دهه‌ها از توان ابزارهای آزمایشگاهی و رصدی خارج بوده‌اند.
منابع
- ScienceAlert
- مقاله پژوهشی: First detection of the forbidden rotational spectrum of H₃⁺: JWST/MIRI observations of the shocked gas in HH 168، منتشرشده در arXiv.
