مدل نوری جدید نشان می‌دهد: ابرهای رنگ‌پریده زهره ماده‌ای به تیرگی قیر را پنهان کرده‌اند

اگر ابرهای زرد کم‌رنگ زهره را در یک لوله آزمایشگاهی جمع‌آوری کنید، مایع به دست آمده به تیرگی قیر خواهد بود. بر اساس مدل جدید انتقال تابشی که در نشریه Astrobiology منتشر شده است، این همان میزان از جذب نور است که برای توضیح رگه‌های با کنتراست بالا در جو فوقانی این سیاره نیاز داریم. یک قرن است که اخترشناسان این لکه‌های تاریک فرابنفش را که با چرخش فوق‌سریع و چهار روزه سیاره حرکت می‌کنند زیر نظر دارند، اما هویت شیمیایی این «جاذب ناشناخته» همچنان یک معما باقی مانده است. اکنون، یک تیم تحقیقاتی بین‌المللی دقیقاً محاسبه کرده‌اند که مایع انبوه درون آن قطرات اسید سولفوریک چقدر باید نور را جذب کند تا با مشاهدات فضاپیماها مطابقت داشته باشد؛ محاسبه‌ای که یک مرز کمی و دقیق را تعیین می‌کند که هر کاندیدای شیمیایی پیشنهادی باید از آن عبور کند.[1][2]

تضاد ظاهری میان نمای بیرونی روشن و زرد کم‌رنگ زهره و شیمی تاریک درونی آن، به فیزیک پراکندگی چندگانه برمی‌گردد. ذرات ابر، نور خورشید را با کارایی فوق‌العاده‌ای پراکنده می‌کنند. ماده‌ای که از قطرات زیرمیکرومتری تشکیل شده، می‌تواند درخشان به نظر برسد، حتی زمانی که مایع تشکیل‌دهنده آن قطرات در حجم انبوه بسیار تاریک باشد. دکتر یان اسپاسک (Jan Spacek) از بنیاد تکامل مولکولی کاربردی می‌گوید: «مدل ما در واقع می‌پرسد چه اتفاقی می‌افتد اگر بتوانیم آن ماده ابری را در یک کووت جمع‌آوری کرده و در یک طیف‌سنج آزمایشگاهی قرار دهیم.» او خاطرنشان می‌کند که این خطای دید نوری دقیقاً مشابه دود سیگار است: ذرات ریز معلق در هوا نور را پراکنده کرده و مایل به سفید به نظر می‌رسند، اما جمع‌آوری آن‌ها یک پسماند متراکم و تاریک تولید می‌کند.[1]

برای پر کردن شکاف میان مشاهدات سیاره‌ای و شیمی آزمایشگاهی، تیم تحقیقاتی داده‌های بازتابش فضاپیما را به یک معیار استاندارد آزمایشگاهی تبدیل کرد: ضریب جذب دهدهی. دکتر یئون جو لی (Yeon Joo Lee) از موسسه علوم پایه کره جنوبی که محاسبات انتقال تابشی را انجام داده است، می‌گوید: «نکته کلیدی این است که ذرات ابر زهره نور خورشید را بسیار کارآمد پراکنده می‌کنند، بنابراین روشنایی مشاهده‌شده از فضا را نمی‌توان مستقیماً با جذب یک مایع انبوه که در آزمایشگاه اندازه‌گیری می‌شود مقایسه کرد.» با در نظر گرفتن نحوه پراکندگی نور خورشید از میان مولکول‌های جوی، این مدل ایجاب می‌کند که مایع انبوه ابر به ضریب جذبی در حدود ۱۲۷۸ بر سانتی‌متر (cm⁻¹) در طول موج ۳۷۵ نانومتر برسد.[1][2]

نکته حائز اهمیت این است که با افزایش طول موج، این جذب باید به شدت کاهش یابد و تا ۴۵۵ نانومتر به زیر ۵۴ بر سانتی‌متر برسد. این افت شدید یک قطعه حیاتی از شواهد است. ترکیبات آلی ساده در معرض اسید سولفوریک غلیظ معمولاً به مخلوط‌های پیچیده و تاریکی معروف به «روغن‌های قرمز» تجزیه می‌شوند. با این حال، آن مخلوط‌های تجزیه‌شده نور را به طور گسترده در سراسر طیف مرئی جذب کرده و قهوه‌ای یا سیاه به نظر می‌رسند. افت شدیدی که برای زهره استنتاج شده نشان می‌دهد که جاذب، یک ماده شیمیایی مشخص است که در برابر تجزیه شدن به یک قیر معمولی مقاومت می‌کند و در حالی که از حلال تهاجمی ابرهای زهره جان سالم به در می‌برد، یک امضای طیفی خاص را حفظ می‌کند.[2]

شدت بالای نیاز به جذب ۱۲۷۸ بر سانتی‌متر، محدودیت‌های شدیدی را در مورد ماهیت این ماده ایجاد می‌کند. این ماده باید یا یک جاذب نور فوق‌العاده کارآمد باشد، یا در غلظت‌های عظیمی وجود داشته باشد، و یا هر دو. این مطالعه مولکول‌های آلی مزدوج با کارایی بالا را — با استفاده از رنگدانه‌های نوع پورفیرین به عنوان یک معیار نوری — ارزیابی کرد و دریافت که آن‌ها می‌توانند شدت مدل‌سازی‌شده را در غلظت‌هایی از چند گرم تا ده‌ها گرم بر لیتر بازتولید کنند. محققان تاکید می‌کنند که واژه «آلی» در این زمینه صرفاً به معنای شیمی مبتنی بر کربن است، نه لزوماً حیات بیولوژیکی، و مقایسه با پورفیرین تنها به عنوان یک خط پایه ریاضی برای کارایی نوری عمل می‌کند.[1][2]

برای کاندیداهای معدنی، ریاضیات به مراتب دشوارتر می‌شود. مطالعات قبلی، از جمله تحلیلی در سال ۲۰۲۴ که توسط محققان دانشگاه کمبریج در نشریه Science Advances منتشر شد، پیشنهاد کردند که کانی‌های حاوی آهن مانند رومبوکلاز و اسید فریک سولفات می‌توانند به عنوان جاذب فرابنفش عمل کنند. با این حال، مدل جدید Astrobiology نشان می‌دهد که بسیاری از کاندیداهای معدنی فاقد کارایی نوری مواد آلی مزدوج هستند. یک برون‌یابی ساده از برخی پروفایل‌های معدنی به معیار ۱۲۷۸ بر سانتی‌متر نشان می‌دهد که آن‌ها باید در غلظت‌های عظیمی حضور داشته باشند، که به طور بالقوه به ۱.۳ کیلوگرم بر لیتر نزدیک می‌شود — چگالی بالایی که مدل‌های فعلی در مورد میزان ماده جامدی که جو زهره می‌تواند معلق نگه دارد را به چالش می‌کشد.[2][3]

این شواهد محدودیت‌های آشکاری به همراه دارند. محاسبات فرض می‌کنند که جاذب در میان دو جمعیت عمده از ذرات ابر در یک لایه تقریباً شش کیلومتری در زیر قله ابرها توزیع شده است. اگر این ماده مرموز در اندازه‌های مختلف ذرات جای گرفته باشد، در ارتفاعات جوی متفاوتی وجود داشته باشد، یا به جای یک ترکیب غالب از مخلوطی از چندین ماده شیمیایی مختلف تشکیل شده باشد، الزامات دقیق جذب تغییر خواهد کرد. همچنین، طیف مدل‌سازی‌شده تنها پنجره ۳۶۵ تا ۴۵۵ نانومتر را پوشش می‌دهد، در حالی که مشاهدات نجومی نشان می‌دهند پدیده جذب در محدوده طول موج وسیع‌تری گسترش می‌یابد.[2]

این مدل اولین پل ارتباطی مستقیم میان داده‌های تلسکوپ از راه دور و شیمی آزمایشگاهی را فراهم می‌کند. به جای اینکه صرفاً بپرسیم کدام طیف شیمیایی شباهت مبهمی به آلبدوی سیاره‌ای زهره دارد، دانشمندان اکنون یک هدف عددی مشخص دارند. محققان آزمایشگاهی می‌توانند کاندیداهای آلی و معدنی پیشنهادی را سنتز کنند، آن‌ها را در اسید سولفوریک غلیظ مشابه زهره در دماهای خاص حل کنند، و بسنجند که آیا شدت جذب مطلق آن‌ها می‌تواند به آستانه ۱۲۷۸ بر سانتی‌متر مورد نیاز برای تاریک کردن یک جهان برسد یا خیر.[2][4]