המקום שבו נולדים כוכבים
בעננים מולקולריים בין-כוכביים, יכולות להיווצר מולקולות גדולות על אף התנאים הלא אידיאליים ששוררים בהם
האוניברסיטה העברית|הפקולטה למתמטיקה ומדעי הטבע
החיים עצמם:
ד”ר תמר שטיין (בתמונה עם צוות מעבדתה), אם לשני ילדים, גרה במבשרת ציון ומקדישה את זמנה הפנוי לילדיה.
בתחילת המאה ה-20 פקפקו חוקרים רבים ברעיון שבריק שבחלל, בתווך שבין כוכבים וכוכבי לכת, מצויות מולקולות מורכבות. אך עם ההתקדמות בשיטות המחקר האסטרונומיות, נמצאו מולקולות במגוון אזורים בחלל, כגון שרשראות פחמן, מולקולות אורגניות מורכבות, פולרנים ופחמימנים ארומטיים רב-טבעתיים. מולקולות אלה התגלו באזורים ובמצבים שלכאורה אינם מתאימים להיווצרות קשרים כימיים והישרדותם.
מה השאלה?
אילו מולקולות נוצרות בעננים שבחלל?
אחד המקומות שבו התגלו מולקולות בחלל הוא עננים מולקולריים – אזורים בין-כוכביים שנוצרים כאשר קיים ריכוז גבוה של חומר בין-כוכבי (בעיקר מימן והליום) באזור אחד. בזכות כוח הכבידה החזק שנוצר בהם, העננים הללו מושכים אליהם עוד ועוד חומר, עד שהם הופכים לכוכבים (שמשות) שמבצעים תהליכים גרעיניים. העננים קיימים בגדלים מגוונים וצפיפותם וגודלם מאפשרים למולקולות רבות להיווצר בהם. אחת המולקולות הארומטיות שהתגלו באחרונה בענן מולקולרי, שהייתה תגלית פורצת דרך, היא בנזוניטריל; מדובר במולקולה אורגנית מורכבת המכילה פחמנים הקשורים בטבעת.
לדברי ד”ר תמר שטיין, כימאית תיאורטיקנית וחוקרת בתחום האסטרוכימיה מהפקולטה למתמטיקה ומדעי הטבע באוניברסיטה העברית, “עם ההתקדמות הטכנולוגית אנו למדים עד כמה עולמנו עשיר במולקולות. עם זאת אנחנו עדיין לא יודעים הרבה על מנגנוני ההיווצרות שלהן באזורים מסוימים בחלל החיצון, למשל בעננים מולקולריים – המקום שבו כוכבים נולדים. יש בהם מגוון של מולקולות גדולות ומורכבות ואותי ככימאית מעניין לדעת כיצד הן נוצרות”.
סימולציה של צביר לאחר יינון: בעקבות היינון נוצרה מולקולה המכילה חנקן בתוך הטבעת.
כדי לגלות כיצד נוצרות המולקולות בתנאי החלל החיצון, לחזות את תכונותיהן והתנהגותן והתגובות ביניהן, מבצעים ד”ר שטיין וצוותה חישובים קוונטיים מורכבים (כגון משוואת שרדינגר – משוואת התנועה היסודית של מערכות פיזיקליות, שמתארת כיצד מצבן הקוונטי משתנה לאורך הזמן). זאת, מכיוון שתורת הקוונטים מתארת את התנהגותם של החלקיקים היסודיים, ובהם אלקטרונים, הנמצאים במולקולות וקובעים את תכונותיהן והתנהגותן. לדבריה, “אנחנו ממדלים את המבנה האלקטרוני של המולקולות, כלומר מפענחים את התנהגות האלקטרונים, וכך יכולים לחזות את תכונותיהן והתנהגותן של המולקולות. אנו מחפשים פתרונות שיתארו את המצב המולקולרי ברמת דיוק גבוהה בזמן חישוב קצר. כיוון שמדובר בחישובים מורכבים, אנו משתמשים בשיטות קירוב – פשרה בין זמן החישוב לדיוקו”.
במחקרם האחרון ביקשו החוקרים לבדוק כיצד ייתכן שנוצרות מולקולות אורגניות מורכבות בעננים המולקולריים, שבהם הצפיפות והטמפרטורות נמוכות – תנאים שאינם אידיאליים לריאקציה (תגובה) כימית אשר שונים מאוד מאלו שקיימים בכדור הארץ. לשם כך ביצעו כמה סימולציות, כגון הדמיה של מולקולות פשוטות שיכולות להוות אבני בניין למולקולות גדולות ומורכבות יותר, אשר ידוע כי הן קיימות בעננים המולקולריים. נקודת המוצא של החוקרים הייתה כי המולקולות הפשוטות מסודרות בצביר. הם הוציאו מתוכן אלקטרון באמצעות אינטראקציה עם קרינה מייננת, ובחנו מה קורה להן בזמנים קצרים מאוד (10-12 שניות). כתוצאה מהוצאת האלקטרון הופר שיווי המשקל של המולקולות בצביר, הן התחילו לנוע ונוצר ביניהן קשר כימי שהוביל להיווצרות מולקולות חדשות, מורכבות וגדולות יותר.
“ראינו שהיינון מוביל לקשר כימי, היקשרות, בין כמה מולקולות בצביר, וכך הן הפכו גדולות ומורכבות יותר. נראה שתגובה כימית ועוד אחת ועוד, מובילות לגדילת המבנה של המולקולות. אבל בצפיפות ובטמפרטורות נמוכות, כפי שקיים בעננים מולקולריים, הסיכוי שלהן לפגוש אחת את השנייה הוא קטן. כעת גילינו שהיינון והיותן בצביר נותנים למולקולות אנרגיה רבה הדרושה לשינוי כימי, להתגברות על הצפיפות ועל הטמפרטורות הנמוכות, ומוציאים אותן משיווי משקל, וכך נוצרות המולקולות האורגניות המורכבות. כלומר, ייתכן שגילינו מנגנון חדש שמתרחש בחלל”, מסכמת ד”ר שטיין.