سجل تلسكوب جيمس ويب الفضائي التابع لناسا وجود غاز الميثان في المذنب البينجمي 3I/ATLAS. تمثل هذه الملاحظة أول اكتشاف مباشر لهذا الغاز المحدد على جرم سماوي نشأ خارج نظامنا الشمسي. وقد التقطت المعدات التوقيعات الكيميائية خلال شهر ديسمبر من العام الماضي. وكان الجسم بالفعل في طريقه بعيدًا عن الشمس بعد وصوله إلى أقرب نقطة في مداره.
تم جمع البيانات بواسطة جهاز MIRI المتخصص في التقاط الضوء في نطاق الأشعة تحت الحمراء المتوسطة. وقد فاجأ التحديد المتأخر للمركب علماء الفلك المشاركين في التحليل. يتميز الميثان بقابلية عالية للتطاير ويميل إلى التسامي بسرعة عند تعرضه للحرارة. ويقدم هذا الاكتشاف أدلة جديدة حول التركيب الداخلي للأجسام المتكونة في أنظمة نجمية أخرى، ويساعد في رسم خريطة لتوزيع العناصر الكيميائية في المجرة.
تكشف الحرارة الشمسية طبقات عميقة من النواة الجليدية
تم اكتشاف غاز الميثان في نافذتي مراقبة متميزتين. قام العلماء في البداية بمراقبة المذنب 3I/ATLAS في الفترة ما بين 15 و16 ديسمبر. وأجريت الجولة الثانية من القياسات في 27 ديسمبر. وكان الجرم السماوي على مسافة 329 مليون كيلومتر من الشمس في المرحلة الأولى. وزادت المسافة إلى 379 مليون كيلومتر في القياس التالي.
يشير ظهور الغاز فقط في هذه المرحلة من المسار إلى بنية داخلية معقدة. يتسامى الميثان بسهولة بالغة تحت أي ارتفاع في درجة الحرارة. يشير غياب المركب عن الملاحظات السابقة إلى أن المادة كانت محمية تحت طبقات سميكة من الجليد والغبار. أدت الحرارة الشديدة المتولدة أثناء الحضيض الشمسي إلى إذابة السطح الخارجي للنواة. كشفت إزالة هذه القشرة عن احتياطيات عميقة من الغاز المتطاير للبيئة الفضائية.
تتضمن الديناميكيات الحرارية للمذنبات التحول المباشر للجليد إلى غاز. تخلق هذه العملية الغيبوبة، وهي سحابة متوهجة تحيط بالنواة الصخرية. حافظ 3I/ATLAS على نشاط كبير حتى بعد بدء رحلته مرة أخرى إلى الفضاء بين النجوم. استمرت الطاقة المتراكمة أثناء الاقتراب الأقصى في تغذية إطلاق المركبات الداخلية لعدة أسابيع. يسمح القصور الذاتي الحراري للجليد الجوفي بمواصلة الغليان حتى في المناطق الباردة.
الاختلافات الكيميائية فيما يتعلق بالأجسام الموجودة في النظام الشمسي
تختلف نسبة العناصر الموجودة في 3I/ATLAS عن المعيار المعروف في علم الفلك. حجم الميثان المنبعث مقارنة بكمية بخار الماء لفت انتباه فريق البحث. عدد قليل من المذنبات الناشئة من سحابة أورت أو حزام كويبر لها توقيع كيميائي مماثل. يُظهر الزائر بين النجوم ثراءً غير عادي في مركبات الكربون المتطايرة.
ويهيمن ثاني أكسيد الكربون أيضًا على انبعاثات الجسم. معدل إطلاق ثاني أكسيد الكربون يتجاوز بكثير إنتاج المياه. وقد لاحظت المراصد الأرضية بالفعل هذا الشذوذ في التحليلات الأولية. وأكد التلسكوب الفضائي التركيز العالي لثاني أكسيد الكربون بدقة غير مسبوقة.
- يعكس التركيب الكيميائي بيئة تكوين النجوم المتميزة عن بيئتنا.
- ويظل ثاني أكسيد الكربون متركزًا في المناطق الأقرب إلى القلب.
- ويتوسع بخار الماء على منطقة أوسع بكثير من الغيبوبة.
- يرافق الميثان ثاني أكسيد الكربون ويقتصر على المنطقة الوسطى من الجسم.
يتبع التوزيع المكاني للغازات المبادئ الفيزيائية للتمدد في الفراغ. يوضح الرسم كيف تتصرف الجزيئات المختلفة عندما تغادر النواة الجليدية. ولأن الماء أقل تطايرًا، فإنه يشكل سحابة منتشرة وواسعة النطاق. تشكل مركبات الكربون هالة كثيفة ومضغوطة حول مركز الكتلة.
تقوم أداة MIRI بتخطيط التوزيع المكاني للمركبات
كان مطياف الدقة المتوسطة المدمج في MIRI أمرًا أساسيًا في هذا الاكتشاف. يقوم الجهاز بتقسيم ضوء الأشعة تحت الحمراء إلى أطوال موجية مختلفة. تتيح هذه التقنية تحديد التوقيع الدقيق لكل عنصر كيميائي موجود في سحابة الغاز. قامت الأداة في وقت واحد بقياس عدة مركبات حول نواة المذنب.
كل نقطة ضوء تم التقاطها في السماء تولد مجموعة كاملة من البيانات. إن قدرات المراقبة التي يمتلكها جيمس ويب تفوق قدرات أي تلسكوب أرضي أو مداري سابق. وحدد العلماء خطوطًا طيفية حادة تقابل الميثان وثاني أكسيد الكربون والماء. واكتشفت المعدات أيضًا آثارًا للنيكل في تركيبة الغيبوبة.
وقد خضعت النتائج التفصيلية للتحليل الطيفي لمراجعة النظراء. ونُشر البحث رسميًا في المجلة العلمية The Astrophysical Journal Letters. توضح الوثيقة بالتفصيل المنهجية المستخدمة لفصل التوقيعات الكيميائية عن الضوضاء الخلفية الفضائية. وتضع دقة البيانات معيارًا جديدًا لدراسة الأجرام السماوية البعيدة. يُظهر المرصد الفضائي الذي تديره وكالة ناسا قدرته على تحليل الأهداف سريعة الحركة.
مسار التخليص يقلل من نشاط التبخر
سجل النشاط الإجمالي لـ 3I/ATLAS انخفاضًا حادًا بين قياسات ديسمبر. انخفض إجمالي إنتاج الغاز مع تحرك الجسم بعيدًا عن مصدر الحرارة الشمسية. أظهر بخار الماء الانخفاض الأكثر جذرية بين جميع العناصر التي تم رصدها. يتبع السلوك الجسدي النماذج الديناميكية الحرارية الموضوعة للمذنبات.
يؤثر انخفاض درجة حرارة السطح بشكل مباشر على معدل التسامي. وحافظ الميثان وثاني أكسيد الكربون، باعتبارهما أكثر تطايرا، على نسب نسبية مستقرة خلال الفترة. توقف إطلاق الماء بسرعة بسبب مقاومته الأكبر للتجمد في الفراغ. استمر الجرم السماوي في إصدار المواد، ولكن بمعدل أبطأ بكثير من ذلك المسجل عند الحضيض الشمسي.
يمثل 3I/ATLAS الزيارة الثالثة المؤكدة لجسم بين النجوم إلى نظامنا. وقد وفرت التمريرات السابقة لهيئات مماثلة حجمًا أصغر بكثير من البيانات الكيميائية. لقد أطلق التلسكوب الفضائي قدرة جديدة على مراقبة هذه الأحداث النادرة. يتبع المذنب مساره الزائدي نحو الفضاء السحيق ولن يعود إلى الحي الشمسي. توفر المادة التي يتم إخراجها أثناء التحليق سجلاً ماديًا للظروف الموجودة في نظام النجم الأصلي. سيستخدم علماء الفلك قاعدة البيانات هذه لمقارنة الاكتشافات المستقبلية للزوار بين النجوم.
