پیدایش اکسیژن در کیهان‌شناسی نوین
در نخستین لحظات پس از مهبانگ (Big Bang)، تنها عناصری که تشکیل شدند شامل هیدروژن، هلیوم و مقدار کمی لیتیوم بودند. بنابراین اکسیژن و سایر عناصر سنگین‌تر بعدها در قلب ستارگان و طی فرآیندهای هسته‌ای تولید شدند. درون ستارگان پرجرم، همجوشی هسته‌ای هلیوم و کربن منجر به شکل‌گیری اکسیژن می‌شود. در مراحل پایانی عمر این ستارگان، ابرنواخترها مقادیر عظیمی از اکسیژن را به فضا پرتاب می‌کنند. این اکسیژن در ابرهای میان‌ستاره‌ای پراکنده شده و در چرخه شکل‌گیری ستارگان و سیارات وارد می‌شود. از این رو، می‌توان گفت که اکسیژن یکی از مهم‌ترین فرآورده‌های مرگ ستاره‌هاست.
فراوانی و توزیع اکسیژن در کیهان
اکسیژن سومین عنصر فراوان در جهان است و تقریباً ۱٪ جرم کیهان را تشکیل می‌دهد. این عنصر در اشکال مختلفی از جمله مولکولی (O₂)، یونیزه (O⁺، O²⁺)، و ترکیباتی مانند آب (H₂O)، دی‌اکسید کربن (CO₂) و سیلیکات‌ها حضور دارد. تلسکوپ‌های فضایی و رادیوتلسکوپ‌ها نقش مهمی در شناسایی ترکیبات اکسیژن در محیط میان‌ستاره‌ای دارند. بررسی طیف‌سنجی خطوط اکسیژن به اخترشناسان کمک می‌کند تا ساختار کهکشان‌ها، چگالی سحابی‌ها و حتی نرخ تولد ستاره‌ها را محاسبه کنند.
اکسیژن در شیمی میان‌ستاره‌ای
یکی از شاخه‌های اصلی شیمی نجومی، مطالعه ترکیبات شیمیایی در ابرهای مولکولی و میان‌ستاره‌ای است. اکسیژن در این محیط‌ها به صورت‌های مختلفی حضور دارد:
-
آب میان‌ستاره‌ای (Interstellar H₂O): یکی از مهم‌ترین ترکیبات اکسیژن که در دمای پایین روی دانه‌های غبار تشکیل می‌شود.
-
مولکول‌های آلی اکسیژن‌دار: مانند متانول (CH₃OH) یا فرمالدهید (H₂CO) که نقشی کلیدی در شیمی پیش‌زیستی دارند.
-
یون‌های اکسیژن: که در تابش‌های پرانرژی اطراف ستاره‌های جوان مشاهده می‌شوند.
این ترکیبات نشان‌دهنده نقش اکسیژن در ایجاد بستری برای شکل‌گیری مولکول‌های پیچیده و حتی بلوک‌های سازنده حیات هستند.
نقش اکسیژن در تکامل ستاره‌ها
اکسیژن یکی از عناصر مهم در مدل‌سازی تحول ستاره‌ای است. در ستارگان پرجرم، مقدار اکسیژن موجود به عنوان یک "ردیاب شیمیایی" عمل می‌کند و تعیین‌کننده شرایط همجوشی و طول عمر ستاره است. طی مراحل مختلف تحول، ستاره‌ها مقادیر متفاوتی از اکسیژن تولید می‌کنند و در نهایت، این عنصر از طریق بادهای ستاره‌ای و انفجارهای ابرنواختری در فضا پراکنده می‌شود.
اکسیژن و سیارات سنگی
تشکیل سیارات زمین‌مانند و سنگی وابسته به حضور اکسیژن است. بخش عمده پوسته زمین از ترکیبات سیلیکاتی تشکیل شده که عنصر اصلی آن اکسیژن است. همچنین آب، که نقشی حیاتی در پیدایش و تداوم حیات دارد، ترکیبی از اکسیژن و هیدروژن است. در سیارات فراخورشیدی نیز جستجوی آب یا مولکول‌های اکسیژن‌دار یکی از مهم‌ترین روش‌ها برای تشخیص قابلیت زیست‌پذیری آن‌ها محسوب می‌شود.
اکسیژن به عنوان شاخص زیستی (Biosignature)
در جستجوی حیات فرازمینی، اکسیژن و به‌ویژه اکسیژن مولکولی (O₂) و ازن (O₃) به عنوان شاخص‌های زیستی مطرح هستند. دلیل این امر آن است که در جو یک سیاره، حضور پایدار و قابل توجه اکسیژن معمولاً ناشی از فرآیندهای زیستی مانند فتوسنتز است. بنابراین، کشف اکسیژن یا ازن در طیف جو یک سیاره فراخورشیدی می‌تواند نشانه‌ای از وجود زندگی باشد. پروژه‌های بزرگی مانند تلسکوپ جیمز وب (JWST) و مأموریت‌های آینده ناسا به دنبال همین نشانه‌ها هستند.
شیمی اکسیژن در محیط‌های سخت کیهانی
در شرایط ویژه‌ای مانند اطراف ستارگان نوترونی، سیاهچاله‌ها یا قرص‌های برافزایشی، اکسیژن رفتاری متفاوت نشان می‌دهد. در این محیط‌ها، یونیزاسیون شدید یا واکنش‌های پرتوی پرانرژی باعث ایجاد ترکیبات ناپایدار اکسیژن می‌شود. مطالعه این شرایط به فیزیک‌دانان کمک می‌کند تا درک بهتری از خواص ماده در فشار و دمای بسیار بالا داشته باشند.
پیوند اکسیژن و پیدایش حیات
اگرچه هیدروژن و کربن نقش‌های بنیادی در زیست‌شناسی دارند، اما بدون اکسیژن، تشکیل مولکول‌های پیچیده آلی و پایداری آن‌ها امکان‌پذیر نبود. اکسیژن بخشی از آب، اسیدهای آمینه، قندها و پروتئین‌هاست. بنابراین، می‌توان گفت که اکسیژن پلی میان شیمی نجومی و زیست‌شناسی فرازمینی است. کشف مولکول‌های اکسیژن‌دار در شهاب‌سنگ‌ها و دنباله‌دارها نشان می‌دهد که شاید بلوک‌های اولیه حیات از فضا به زمین آمده باشند.
روش‌های مطالعه اکسیژن در فضا
برای شناسایی اکسیژن و ترکیبات آن در کیهان، اخترشیمیدانان از روش‌های گوناگون استفاده می‌کنند:
-
طیف‌سنجی نوری و مادون قرمز: برای مشاهده خطوط جذبی و گسیلی اکسیژن.
-
رادیوتلسکوپ‌ها: جهت رصد مولکول‌های آلی اکسیژن‌دار در ابرهای مولکولی.
-
کاوشگرهای فضایی: مانند مأموریت‌های ناسا و ESA که نمونه‌برداری مستقیم از دنباله‌دارها و سیارک‌ها انجام می‌دهند.
اکسیژن، فراتر از یک عنصر ساده شیمیایی، یکی از کلیدهای اصلی درک ما از کیهان است. از پیدایش آن در ستاره‌ها تا نقش حیاتی‌اش در پیدایش سیارات و حیات، این عنصر در تمام مراحل چرخه کیهانی حضور دارد. مطالعه اکسیژن در شیمی نجومی نه تنها به شناخت جهان کمک می‌کند، بلکه شاید پاسخ پرسش دیرینه انسان درباره تنهایی یا همراهی‌اش در کیهان را نیز آشکار سازد