Microgravity experiment measures compaction of fractal dust agglomerates by gas forces

في الظلام البارد والشاسع بين النجوم، حيث تولد أنظمة شمسية جديدة، تبدأ قصة كوكب بشيء بسيط مثل الغبار. في هذه الأقراص الدوامية من الغاز والصخور، تتصادم الحبيبات الصغيرة وتلتصق ببعضها البعض، لتتراكم ببطء لتصبح كتلًا أكبر فأكبر. في البداية، تكون هذه الكتل هشة للغاية، تشبه كرات الثلج الوثابة أو أكوام الرمل السائبة بدلاً من الصخور الصلبة؛ فهي مسامية لدرجة أنها تحتوي في معظمها على مساحات فارغة. لطالما تساءل العلماء كيف تنجو هذه الهياكل الرقيقة من رحلتها من مجرد مجموعة سائبة من الجسيمات إلى اللبنات الصلبة للكواكب. كان السؤال الرئيسي هو مقدار الضغط الذي يمكن أن تتحمله هذه السحب الوثابة قبل أن تنهار لتصبح شيئًا أكثر كثافة، وما هي القوى القادرة على عصرها معًا في فراغ الفضاء.

وللإجابة على ذلك، احتاج الباحثون إلى مراقبة هذه الكتل الصغيرة دون تدخل جاذبية الأرض، التي قد تؤدي إلى غرقها واستقرارها قبل أن يتمكنوا من دراستها بشكل صحيح. قام فريق من العلماء من الجامعة التقنية في براونشفايغ بألمانيا بأخذ تجربتهم إلى حافة الفضاء. أطلقوا صاروخًا بحثيًا، وهو مركبة تطير إلى الغلاف الجوي العلوي ثم تعود لتسقط، مما يوفر بضع دقائق من انعدام الوزن. داخل هذا الصاروخ، أنشأوا بيئة محكومة لمراقبة كيفية تصرف جسيمات الغبار المجهرية عندما تُدفع معًا بواسطة حركة الغاز. كان الهدف هو قياس مدى انضغاط كرات الغبار الوثابة هذه بدقة، ومعرفة ما إذا كانت تستطيع الحفاظ على شكلها الجديد الأكثر تماسكًا حتى عند تعرضها لقوى تحاول تفريقها.

أُجريت التجربة، التي سُميت "ICAPS"، داخل غرفة مفرغة حيث كان الهواء رقيقًا جدًا لدرجة أنه يكاد يكون فراغًا مثاليًا. أدخل الباحثون سحابة من حبيبات السيليكا الصغيرة، يبلغ عرض كل منها حوالي جزء من مليون من المتر، داخل هذه الغرفة. في الظروف العادية، كانت هذه الحبيبات ستتباعد ببساطة أو تستقر في القاع. ومع ذلك، استخدم العلماء حيلة ذكية لجعلها تتحرك؛ حيث أحدثوا فرقًا طفيفًا في درجة الحرارة داخل الغرفة، بجعل جزء منها دافئًا قليًا والجزء الآخر أبرد قليلًا. وفي الغاز الرقيق داخل الفراغ، يتسبب هذا الفرق في درجة الحرارة في تدفق الغاز في اتجاه محدد، حاملاً معه حبيبات الغبار. عمل هذا التدفق كيد خفية ولطيفة، تدفع حبيبات الغبار نحو نقطة مركزية وتجبرها على التصادم والالتصاق ببعضها البعض.

بينما كانت حبيبات الغبار تتجمع، شكلت عناقيد كبيرة ووثابة لا تزال تحتوي في معظمها على مساحات فارغة. راقب الباحثون نمو هذه العناقيد ثم تقلصها مع استمرار تدفق الغاز في الضغط عليها. لاحظوا أن العناقيد أصبحت أصغر حجمًا وأكثر كثافة بشكل ملحوظ، وهي عملية تُعرف بالانضغاط. عمل تدفق الغاز كضغط، يعصر الهيكل الوثاب حتى أصبحت الجسيمات متراصة مع بعضها البعض بشكل أكثر إحكامًا. قاس الفريق مقدار انكماش العناقيد وحسب الضغط المطلوب لإحداث هذا التغيير، ووجدوا أن ضغطًا ضعيفًا جدًا، أقل بكثير مما نشعر به في حياتنا اليومية، كان كافيًا لضغط هذه الهياكل الرقيقة.

كان أحد الاكتشافات الأكثر إثارة للدهشة هو ما حدث عندما حاول تدفق الغاز تفريق العناقيد. عادةً، عندما تضغط على جسم ناعم مثل الإسفنج ثم تتركه، فإنه يعود إلى شكله الأصلي. توقع الباحثون أن تسترخي عناقيد الغبار وتتمدد مرة أخرى إذا تغيرت القوى المؤثرة عليها، لكن بدلاً من ذلك، ظلت العناقيد منضغطة. بمجرد أن تم دفع حبيبات الغبار معًا بإحكام، استقرت في مكانها ورفضت التمدد، حتى عند تعرضها لتدفقات غازية متباعدة تحاول تفريقها. يشير هذا إلى أن كتل الغبار الكونية هذه يمكنها الحفاظ على كثافة عالية بمجرد تشكلها، وهي خطوة حاسمة في عملية بناء الكواكب.

قارن الفريق أيضًا قياساتهم بنماذج حاسوبية تم تطويرها للتنبؤ بكيفية سلوك الغبار. تطابقت بياناتهم التجريبية مع هذه التوقعات النظرية بشكل جيد جدًا، رغم أن الضغوط التي اختبروها كانت أقل بكثير مما اختبرت ضده النماذج سابقًا. هذا الاتفاق يمنح العلماء الثقة في أن فهمهم لكيفية سلوك الغبار في الفضاء صحيح، ويؤكد أن تدفقات الغاز في الأقراص الكوكبية الأولية يمكنها بالفعل ضغط تجمعات الغبار، وتحويلها من مجموعات غبار وثابة وسائبة إلى اللبنات الأكثر كثافة اللازمة لتكوين نوى الكواكب.

تناولت الدراسة أيضًا ما يحدث عندما يحاول تدفق الغاز تفريق العناقيد. وجد الباحثون أن العناقيد المنضغطة لم تتفكك أو تتمدد عند تعرضها لتدفقات متباعدة. هذا المقاومة للتمدد تعود على الأرج_ likely إلى الطريقة التي تتصل بها الجسيمات ببعضها البعض؛ فعندما يُعصر العنقود، تشكل الجسيمات نقاط اتصال أكثر مع بعضها البعض، مما يخلق هيكلًا صلبًا يحافظ على شكله. يساعد هذا الاكتشاف في تفسير سبب قدرة بعض سحب الغبار في الفضاء على البقاء في البيئة المضطربة للنظام الشمسي الناشئ دون أن تتفكك مرة أخرى.

توفر هذه النتائج أول دليل مباشر وكمي على أن قوى الغاز يمكنها ضغط تجمعات الغبار الهيكلية (fractal) في بيئة انعدام الجاذبية. تظهر البيانات علاقة واضحة بين الضغط المطبق من قبل الغاز وكثافة الغبار الناتجة. تتبع هذه العلاقة نمطًا محددًا يطابق العمل النظري الأخير، مما يسد الفجوة بين المحاكاة الحاسوبية والملاحظات الواقعية. لا تقتكم أهمية هذه النتائج في فهم كيفية تشكل الكواكب فحسب، بل لها أيضًا آثار في مجالات أخرى، مثل كيفية سلوك الغبار في غلافنا الجوي أو كيفية التقاط المرشحات لجسيمات السخام.

من خلال مراقبة هذه الأحداث الصغيرة في صمت رحلة صاروخية، قدم الباحثون صورة أوضح للمراحل الأولى من تشكل الكواكب. لقد أظهروا أن الكون لديه طريقة لتحويل الغبار الهش والسائل إلى مادة صلبة ومتماسكة من خلال قوى بسيطة مثل تدفق الغاز وفروق درجات الحرارة. هذه العملية، التي تحدث على نطاق مجهري، هي الخطوة الأولى في الرحلة العظلة التي تؤدي إلى خلق العوالم. تؤكد التجربة أن الهياكل الرقيقة لغبار الفضاء أكثر مرونة وقدرة على التكيف مما كان يُعتقد سابقًا، وقادرة على تحمل ضغوط بيئتها لتصبح بذورًا لأنظمة شمسية جديدة.