كيف تشكلت حلقة البنزين الأولى من النجوم؟

منذ ما يقرب من نصف قرن، كان العلماء يبحثون عن أصول البنزين (C6H6) وهو جزيء سداسي يتكون من 6 ذرات كربون و 6 ذرات هيدروجين.

• المادة الأولى في الكون بعد الانفجار العظيم.. هل اقترب حل اللغز؟

ويقول علماء الفيزياء الفلكية، إن حلقة البنزين يمكن أن تكون لبنة البناء الأساسية للهيدروكربونات العطرية متعددة الحلقات، وهي المواد الأساسية التي تشكلت من انفجار النجوم المحتضرة الغنية بالكربون.

وستعطي هذه الكتلة الدوامة من المادة في النهاية شكلًا لأقدم أشكال الكربون، والتي يقول بعض العلماء إنها مرتبطة بتوليف الأشكال الأولى للحياة على الأرض.

ومن المفارقات أن الهيدروكربونات العطرية متعددة الحلقات لها جانب مظلم أيضًا، حيث يمكن للعمليات الصناعية وراء مصافي النفط الخام والأعمال الداخلية لمحركات الاحتراق التي تعمل بالغاز، أن تنبعث منها الهيدروكربونات العطرية متعددة الحلقات، والتي يمكن أن تتراكم وتتحول إلى ملوثات الهواء السامة مثل السخام.

ولطالما حير العلماء كيف تشكلت حلقة البنزين الأولى من النجوم في بدايات الكون، وكيف تحفز محركات الاحتراق التفاعل الكيميائي الذي يغير حلقة البنزين إلى ملوثات جسيمات السخام.

ولكن الآن، أظهر باحثون أمريكيون في مختبر لورانس بيركلي الوطني (مختبر بيركلي)، وجامعة هاواي في مانوا، وجامعة فلوريدا الدولية أول قياس في الوقت الفعلي، باستخدام طرق معملية لجسيمات غير مستقرة تسمى الجذور الحرة التي تتفاعل في ظل الظروف الكونية، ما يحفز ذرات الكربون والهيدروجين الأولية على الاندماج في حلقات البنزين الأولية.

ويقول الباحثون إن النتائج التي توصلوا إليها، والتي نُشرت مؤخرًا في مجلة ( ساينس أدفانسيس)، هي المفتاح لفهم كيفية تطور الكون مع نمو مركبات الكربون، ويمكن أن تساعد هذه النتائج أيضًا صناعة السيارات في صنع محركات احتراق أنظف.

والمعروف أن نوعا من الجذور الحرة يُدعى جذر البروبارجيل (C3H3) شديد التفاعل نظرًا لميله لفقد الإلكترون قد تورط في تكوين السخام لعقود.

ويعتقد الباحثون أن إعادة تركيب اثنين من جذور البروبارجيل الحرة هما C3H3 + C3H3، أدى إلى ظهور الحلقة العطرية الأولى، البنزين.

والدراسة الحالية هي أول عرض لما يسمى "التفاعل الذاتي الجذري للبروبارجيل" تحت ظروف الكيمياء الفلكية وظروف الاحتراق، وباستخدام مفاعل كيميائي عالي الحرارة يسمى "الفوهة الساخنة".

وقام الباحثون بمحاكاة البيئة ذات الضغط العالي ودرجة الحرارة المرتفعة داخل محرك الاحتراق، بالإضافة إلى الغلاف الجوي الغني بالهيدروكربون لقمر زحل تيتان، ولاحظوا تشكيل أيزومرات - جزيئات لها نفس الصيغة الكيميائية، ولكن لها هياكل ذرية مختلفة، من شقين بروبارجيل يؤديان إلى حلقة البنزين.

وتقنية الفوهة الساخنة، التي تم تكييفها قبل 10 سنوات في منشأة المصدر المتقدم للضوء، استخدمها الباحث الرئيسي بالدراسة مساعد أحمد، كبير العلماء في قسم العلوم الكيميائية في مختبر بريكلي، وتعتمد على التحليل الطيفي فوق البنفسجي الفراغي (VUV) وكشف الأيزومرات الفردية.

ومنشأة المصدر المتقدم للضوء، هي نوع من مسرعات الجسيمات المعروفة باسم السنكروترون الذي يولد حزمًا شديدة السطوع من الضوء تتراوح من الأشعة تحت الحمراء إلى الأشعة السينية، وهي منشأة بحثية في مختبر لورانس بيركلي الوطني في بيركلي بأمريكا.

وقام الباحثون بتوجيه هذه التقنية لإيقاف رد الفعل الذاتي الجذري للبروبارجيل - الذي يتكشف في غضون ميكروثانية - قبل الهيدروكربونات العطرية متعددة الحلقات الكبيرة وتشكل السخام اللاحق، وهم يعتقدون أن الاكتشاف يمكن أن يؤدي في يوم من الأيام إلى محركات احتراق أنظف.

ويقول بعض المحللين إن امتلاك محركات غازية أكثر كفاءة لا يزال مهمًا، لأنه قد يستغرق 25 عامًا أخرى قبل أن نتمكن من استبدال أسطول السيارات التي تعمل بالغاز بالكامل بمركبات كهربائية.

علاوة على ذلك، يمكن أن يساعد تجهيز الطائرات والمكون الذي يعمل بالغاز في المركبات الكهربائية الهجينة المزودة بمحركات احتراق أنظف على تقليل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون التي تساهم في تغير المناخ.

ويقول أحمد، إنه يخطط لتوسيع الأساليب المستخدمة لدراسة نمو الهيدروكربونات الأروماتية متعددة الحلقات، واستكشاف الأنظمة الأخرى ذات الصلة بمهمة وزارة الطاقة مثل تحلية المياه والعلوم البيئية.