ما هي بنية وديناميكيات المواد الأولى في الكون؟

إن العلماء الذين يرغبون في دراسة بداية الكون، والعمليات التي تم من خلالها خلق وتطور المواد الأولى، مباشرة بعد "الانفجار الكبير"، لا يستطيعون (للأسف) استخدام آلات الزمن لنقلها إلى المناطق المناسبة في المكان والزمان. ولهذا السبب، يحاولون إعادة إنشاء الظروف التي كانت سائدة في الكون الشاب المبكر بطرق مختلفة. وهذا بالضبط ما يفعله البروفيسور دانيال زيفمان من قسم فيزياء الجسيمات والفيزياء الفلكية في معهد وايزمان.

إن العلماء الذين يرغبون في دراسة بداية الكون، والعمليات التي تم من خلالها خلق وتطور المواد الأولى، مباشرة بعد الانفجار الأعظم، لا يستطيعون (للأسف) استخدام آلات الزمن لنقلها إلى المناطق المناسبة في المكان والزمان. ولهذا السبب، يحاولون إعادة إنشاء الظروف التي كانت سائدة في الكون الشاب المبكر بطرق مختلفة. وهذا بالضبط ما يفعله البروفيسور دانيال زيفمان من قسم فيزياء الجسيمات والفيزياء الفلكية في معهد وايزمان للعلوم والرئيس السابق للمعهد.

منذ حوالي 15 عامًا، خطط البروفيسور زيفمان، في معهد ماكس بلانك للفيزياء النووية في هايدلبرغ بألمانيا، لإنشاء منشأة بحثية فريدة وطموحة، أطلق عليها اسم "حلقة التخزين المبردة"، أو "الحلقة" باختصار. وهو عبارة عن منشأة حلقية يبلغ طولها حوالي 35 مترًا، وقد خصص لبنائها ما يقرب من عشرة ملايين دولار. في هذه الحلقة، كان العلماء يعتزمون التقاط - باستخدام المجالات الكهربائية فقط - أيونات جزيئية من الأنواع التي خلقت وتواجدت في الكون الشاب (وهي في الواقع الجزيئات الأولى التي خلقت في الكون بعد الانفجار الكبير). كانت الخطة تتمثل في أنه بعد احتجاز هذه الأيونات، فإنها ستبرد إلى درجة حرارتها الداخلية الأساسية (الطاقة): أدنى طاقة يمكن أن يوجد بها الجزيء، والتي عندها يتوقف تقريبًا عن التذبذب. عندما تتعرض الأيونات الجزيئية لمثل هذه الحالة "المجمدة"، يكون من الأسهل دراسة خصائصها، مثل بنيتها وديناميكياتها. وبهذه الطريقة، يمكن للمرء أن يتعلم، من بين أمور أخرى، عن عمليات تكوين النجوم وتحديد المواد التي تتكون منها.

إحدى الميزات المثيرة للإعجاب بشكل خاص للحلقة المبردة الكبيرة هي قدرتها على عزل جزيء واحد، وتتبعه "شخصيًا" - وفحص كيفية تكوينه وتحلله بالضبط.

بعد وقت قصير من بدء بناء الحلقة المبردة، تم انتخاب البروفيسور زيفمان ليكون رئيسًا لمعهد وايزمان للعلوم. وحتى قبل ذلك، قرر مع الدكتور عوديد هابر وأعضاء آخرين في مجموعته البحثية في المعهد، بناء "حلقة الحمام" الخاصة به هنا، في مختبره في حرم المعهد. لم يكن لديه ملايين الدولارات، لذلك استقر مقابل بضع عشرات الآلاف من الدولارات. كما أنه لم يكن لديه مساحة لحلقة ضخمة يبلغ طولها 35 مترًا، لذلك قام ببناء منشأة يبلغ طولها 50 سم فقط. يتكون هذا الجهاز من مرآتين "تعطي" كل منهما الأخرى الأيونات الجزيئية. هذه هي الطريقة التي يمكن بها تخزين وتبريد الأيونات الجزيئية، على الرغم من أن إمكانيات "المصيدة الصغيرة" كانت بالطبع أقل من إمكانيات الحلقة المبردة الكبيرة التي تم بناؤها في هايدلبرغ.

ولكن مع مرور السنين، أصبح من الواضح أن بناء الحلقة المبردة العظيمة يتطلب التغلب على سلسلة طويلة من التحديات التكنولوجية والعلمية التي بدت في بعض الأحيان مستحيلة التغلب عليها. إلا أن العلماء والمهندسين في معهد ماكس بلانك لم يستسلموا، وفي السنوات التي شغل فيها البروفيسور زيفمان منصب رئيس المعهد، واجهوا التحديات وحلوا الصعوبات واحدة تلو الأخرى. وبطبيعة الحال، استمر البروفيسور زيفمان في الاهتمام بعملهم، وتابعه وشارك في المشاورات المتعلقة بحل المشاكل والصعوبات التي نشأت على طول الطريق.

ومؤخراً، انطلقت صرخة "يوريكا" من هايدلبرغ عندما تمكن المهندسون، خلافاً لكل التوقعات، من التغلب على التحديات التكنولوجية، وبدأت الحلقة الكبيرة في العمل، حيث تم تبريد كل شيء إلى درجة حرارة حوالي 4 درجات فوق الصفر المطلق، وهو ما أدى إلى بعض النتائج البحثية المدهشة. وبطريقة الطبيعة، فإن الجزيئات الأولى التي يتم فحصها في مثل هذه الأنظمة هي الأيونات الجزيئية للهيدروجين والهيليوم (وهذان هما العنصران الأولان اللذان تم خلقهما في الكون الفتي، ومجموعات مختلفة منهما هي الجزيئات الأولى في الكون). العملية الرائعة التي ركز عليها العلماء هي تلك التي يقوم فيها أيون جزيئي من الهيليوم والهيدروجين "بامتصاص" (أو "جذب") وربط نفسه بإلكترون واحد من البلازما المحيطة به. يقوم الإلكترون "المنضم" بتحييد الأيون الجزيئي وتكسيره. أي أنه عامل مدمر يتداخل ويؤخر عملية بناء الوحدات البنائية للمادة الجزيئية.

إحدى السمات المثيرة للإعجاب بشكل خاص للحلقة المبردة الكبيرة هي قدرتها على عزل جزيء واحد، ومتابعته "شخصيًا" (أي ليس في إحصائيات ما يحدث في مجموعة كبيرة أو صغيرة من الجزيئات)، وفحصه بدقة. كيف يتم تشكيلها وتحللها. واحدًا تلو الآخر، ببطء.

وهكذا، على سبيل المثال، فإن كمية الأيونات الجزيئية من نوع الهيليوم والهيدروجين (HeH+) الموجودة في الكون، تعكس العلاقة الكمية بين عمليات تكوين الجزيء وعمليات تفككه. وتعكس كمية صغيرة من هذا الجزيء حالة يكون فيها التحلل أكبر وأسرع من عملية تكوينه. لقد افترض العلماء لسنوات وجود علاقة معينة بين هاتين العمليتين، لكن التجارب المضبوطة والدقيقة في الحلقة المبردة الكبرى أظهرت نشوء كمية كبيرة من هذا الأيون الجزيئي، وعملية تفكك بطيئة لا يمكن تصورها. ولهذه النتيجة المفاجئة أهمية فيما يتعلق بالبيئة التي كانت موجودة في الكون الشاب، حيث تشكلت المجرات والنجوم الأولى. بمعنى آخر، ستتطلب هذه النتائج إعادة فحص النماذج المتعلقة بعمليات تكوين المجرات والنجوم الأولى في الكون.

في الحلقة المبردة الكبرى، يبحث العلماء في كيفية تأثير سلوك الأنظمة الجزيئية البسيطة، عند درجة حرارة 2 درجة كلفن، على تكوين النجوم التي تبلغ درجة حرارتها 1 مليون درجة كلفن.
للمادة العلمية