Żelazo jest jednym z najliczniejszych pierwiastków we Wszechświecie, podobnie jak lżejsze pierwiastki, takie jak wodór, tlen i węgiel. W przestrzeni międzygwiezdnej powinno być obfite ilości żelaza w jego formie gazowej. Dlaczego więc, kiedy astrofizyk patrzy w kosmos, tak mało go widzi?
Po pierwsze, istnieje powód, dla którego żelazo jest tak obfite i jest związane z astrofizyką zwaną żelaznym szczytem.
W naszym wszechświecie pierwiastki inne niż wodór i hel są tworzone przez nukleosyntezę w gwiazdach. (Wodór, hel, a także trochę litu i berylu powstały w procesie nukleosyntezy Wielkiego Wybuchu.) Ale pierwiastki nie powstają w równych ilościach. Jest obraz, który pomaga to pokazać.
Przyczyną szczytu żelaza jest energia potrzebna do syntezy jądrowej i rozszczepienia jądrowego.
W przypadku elementów lżejszych od żelaza fuzja po lewej stronie uwalnia energię i rozszczepia ją. W przypadku pierwiastków cięższych niż żelazo po jego prawej stronie jest odwrotność: fuzja, która zużywa energię, i rozszczepianie, które ją uwalnia. Jest tak z powodu tak zwanej energii wiązania w fizyce atomowej.
Ma to sens, jeśli myślisz o gwiazdach i energii atomowej. Używamy rozszczepienia do generowania energii w elektrowniach jądrowych z uranem, który jest znacznie cięższy niż żelazo. Gwiazdy wytwarzają energię za pomocą fuzji za pomocą wodoru, który jest znacznie lżejszy niż żelazo.
W zwykłym życiu gwiazdy pierwiastki aż do żelaza są tworzone przez nukleosyntezę. Jeśli chcesz pierwiastków cięższych niż żelazo, musisz poczekać na pojawienie się supernowej i na wynikową nukleosyntezę supernowej. Ponieważ supernowe są rzadkie, cięższe pierwiastki są rzadsze niż lekkie.
Można spędzić wyjątkowo dużo czasu, schodząc w dół do króliczej nory fizyki jądrowej, a jeśli to zrobisz, napotkasz ogromną ilość szczegółów. Ale w zasadzie, z powyższych powodów, żelazo jest stosunkowo obfite w naszym Wszechświecie. Jest stabilny i wymaga ogromnej ilości energii, aby stopić żelazo z czymkolwiek cięższym.
Dlaczego tego nie widzimy?
Wiemy, że żelazo w postaci stałej istnieje w rdzeniach i skorupach planet takich jak nasze. Wiemy również, że jest on powszechny w formie gazowej w gwiazdach takich jak Słońce. Chodzi o to, że powinien on być powszechny w środowisku międzygwiezdnym w postaci gazowej, ale po prostu go nie widzimy.
Ponieważ wiemy, że musi tam być, implikacją jest to, że jest on zawinięty w jakiś inny proces, formę stałą lub stan molekularny. I chociaż naukowcy szukali od dziesięcioleci i chociaż powinien to być czwarty najliczniejszy element wzorca obfitości Słońca, nie znaleźli go.
Do teraz.
Teraz zespół kosmochemików z Uniwersytetu Stanowego w Arizonie twierdzi, że rozwiązali tajemnicę brakującego żelaza. Mówią, że żelazo ukrywa się na widoku, w połączeniu z cząsteczkami węgla w rzeczach zwanych pseudokarbynami. A pseudokarbyny są trudne do zobaczenia, ponieważ widma są identyczne z innymi cząsteczkami węgla, które są obfite w przestrzeni.
W skład zespołu naukowców wchodzi główny autor Pilarasetty Tarakeshwar, profesor nadzwyczajny w School of Molecular Sciences ASU. Pozostali dwaj członkowie to Peter Buseck i Frank Timmes, obaj w School of Earth and Space Exploration. Ich praca zatytułowana jest „Na strukturze, właściwościach magnetycznych i widmach podczerwieni żelaznych pseudokarbynów w ośrodku międzygwiezdnym” i jest opublikowana w czasopiśmie Astrophysical Journal.
„Proponujemy nową klasę cząsteczek, które prawdopodobnie będą szeroko rozpowszechnione w ośrodku międzygwiezdnym”, powiedział Tarakeshwar w komunikacie prasowym.
Zespół skupił się na gazowym żelazie i na tym, jak kilka jego atomów może łączyć się z atomami węgla. Żelazo łączyłoby się z łańcuchami węglowymi, a powstałe cząsteczki zawierałyby oba pierwiastki.
Przyjrzeli się także niedawnym dowodom skupienia atomów żelaza w gwiezdnym pyle i meteorytach. W przestrzeni międzygwiezdnej, gdzie jest wyjątkowo zimno, te atomy żelaza działają jak „jądra kondensacji” węgla. Przylegałyby do nich różne długości łańcuchów węglowych, a proces ten wytwarzałby inne cząsteczki niż te wytwarzane z gazowego żelaza.
Nie widzieliśmy żelaza w tych cząsteczkach, ponieważ udają one cząsteczki węgla bez żelaza.
W komunikacie prasowym Tarakeshwar powiedział: „Obliczyliśmy, jak wyglądałyby widma tych cząsteczek, i stwierdziliśmy, że mają one sygnatury spektroskopowe prawie identyczne z cząsteczkami łańcucha węglowego bez żelaza”. Dodał, że z tego powodu „wcześniejsze obserwacje astrofizyczne mogły przeoczyć te cząsteczki węgla i żelaza”.
Buckyballs i Mothballs
Nie tylko znaleźli „brakujące” żelazo, ale mogli rozwiązać kolejną od dawna tajemnicę: obfitość niestabilnych cząsteczek łańcucha węglowego w kosmosie.
Łańcuchy węglowe zawierające więcej niż dziewięć atomów węgla są niestabilne. Ale kiedy naukowcy spoglądają w kosmos, znajdują łańcuchy węglowe z więcej niż dziewięcioma atomami węgla. Od zawsze było tajemnicą, jak natura mogła uformować te niestabilne łańcuchy.
Jak się okazuje, to żelazo nadaje tym łańcuchom węglowym ich stabilność. „Dłuższe łańcuchy węglowe są stabilizowane przez dodanie klastrów żelaza” - powiedział Buseck.
Co więcej, odkrycie to otwiera nową drogę do budowy bardziej złożonych cząsteczek w kosmosie, takich jak węglowodory poliaromatyczne, których naftalen jest znanym przykładem, będącym głównym składnikiem kul moth.
Timmes powiedział: „Nasze prace dostarczają nowych informacji na temat wypełniania ziewającej luki między cząsteczkami zawierającymi dziewięć lub mniej atomów węgla a złożonymi cząsteczkami, takimi jak buckminsterfulleren C60, lepiej znany jako„ buckyballs ”.
Źródła:
- Informacja prasowa: Nie brakuje żelaza międzygwiezdnego, po prostu ukrywa się na widoku
- Artykuł badawczy: Struktura, właściwości magnetyczne i widma w podczerwieni pseudokarbynów żelaza w ośrodku międzygwiezdnym
