Železo je eden najpogostejših elementov v vesolju, skupaj z lažjimi elementi, kot so vodik, kisik in ogljik. Zunaj v medzvezdnem prostoru bi morale biti velike količine železa v plinasti obliki. Zakaj torej, ko astrofiziki gledajo v vesolje, ga vidijo tako malo?
Prvič, obstaja razlog, da je železa tako veliko, in to je povezano s stvarjo v astrofiziki, imenovano železni vrh .
V našem vesolju nastajajo elementi, ki niso vodik in helij nukleosinteza v zvezdah. (Vodik, helij ter nekaj litija in berilija so nastali v Nukleosinteza velikega poka .) Toda elementi niso ustvarjeni v enakih količinah. Obstaja slika, ki to pomaga prikazati.
Obilje elementov v vesolju. Vodika in helija je v izobilju, nato pa pride do padca za litij, berilij in bor, ki so slabo sintetizirani v zvezdah in v velikem poku. Premaknite oko v desno in si oglejte železo na svojem vrhu. Po železu se vse v izobilju zmanjša. Zasluga slike: Prvotni prenosnik je imel 28 bajtov na angleški Wikipediji. – Preneseno iz en.wikipedia v Commons., CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=16988506
Razlog za vrh železa je povezan z energijo, potrebno za jedrsko fuzijo in jedrsko cepitev.
Za elemente, ki so lažji od železa, na levi strani fuzija sprošča energijo, cepitev pa jo porabi. Za elemente, težje od železa, na njegovi desni, velja ravno obratno: njegova fuzija, ki porablja energijo, in cepitev, ki jo sprosti. To je zaradi tega, kar se imenuje vezavna energija v atomski fiziki.
To je smiselno, če pomislite na zvezde in atomsko energijo. Fisijo uporabljamo za proizvodnjo energije v jedrskih elektrarnah z uranom, ki je veliko težji od železa. Zvezde ustvarjajo energijo s fuzijo z uporabo vodika, ki je veliko lažji od železa.
V običajnem življenju zvezde elementi do vključno železa nastanejo z nukleosintezo. Če želite elemente, težje od železa, morate počakati, da se pojavi supernova in na nastalo nukleosinteza supernove . Ker so supernove redke, so težji elementi redkejši kot lahki elementi.
Umetniški vtis zvezde, ki gre v supernovo in v vesolje vrže svojo kemično obogateno vsebino. Zasluge: NASA/Swift/Skyworks Digital/Dana Berry
Možno je preživeti izjemno veliko časa v zajčji luknji jedrske fizike, in če to storite, boste naleteli na ogromno podrobnosti. Toda v bistvu je zaradi zgornjih razlogov železa v našem vesolju relativno veliko. Je stabilen in zahteva ogromno energije za spajanje železa v karkoli težjega.
Zakaj ga ne vidimo?
Vemo, da železo v trdni obliki obstaja v jedrih in skorji planetov, kot je naš. Vemo tudi, da je v zvezdah, kot je Sonce, pogost v plinasti obliki. Toda stvar je v tem, da bi moral biti običajen v medzvezdnih okoljih v svoji plinasti obliki, vendar ga preprosto ne moremo videti.
Ker vemo, da mora biti tam, pomeni, da je zavit v kakšen drug proces ali trdno obliko ali molekularno stanje. In čeprav znanstveniki iščejo desetletja in čeprav bi moral biti četrti najbolj razširjen element v vzorcu sončne številčnosti, ga niso našli.
Do zdaj.
Zdaj skupina kozmokemikov z univerze Arizona State pravi, da je rešila skrivnost manjkajočega železa. Pravijo, da se je železo skrivalo na očeh, v kombinaciji z molekulami ogljika v stvareh, imenovanih psevdokarbini. In psevdokarbine je težko videti, ker so spektri identični drugim molekulam ogljika, ki jih je v vesolju veliko.
Ekipa znanstvenikov vključuje vodilno avtorico Pilarasetty Tarakeshwar, raziskovalno izredno profesorico na Šoli za molekularne znanosti ASU. Druga dva člana sta Peter Buseck in Frank Timmes, oba v šoli za raziskovanje Zemlje in vesolja ASU. Njihov prispevek je naslovljen » O strukturi, magnetnih lastnostih in infrardečem spektru železovih psevdokarbina v medzvezdnem mediju ” in je objavljena v Astrophysical Journal.
'Predlagamo nov razred molekul, ki bodo verjetno razširjene v medzvezdnem mediju,' je dejal Tarakeshwar v izjava za javnost .
Železovi psevdokarbini so verjetno zelo razširjeni v medzvezdnem mediju, kjer bi izredno nizke temperature povzročile kondenzacijo ogljikovih verig na grozdih Fe. Skozi eone bi iz teh Fe psevdokarbinov nastale kompleksne organske molekule. Model prikazuje ogljikovo verigo, prekrito z vodikom, pritrjeno na grozd Fe13 (atomi železa so rdečkasto rjavi, ogljik je siv, vodik je svetlo siv).
Ekipa se je osredotočila na plinasto železo in na to, kako bi se le nekaj njegovih atomov lahko združilo z atomi ogljika. Železo bi se združilo z ogljikovimi verigami, nastale molekule pa bi vsebovale oba elementa.
Preučili so tudi nedavne dokaze o kopici atomov železa v zvezdnem prahu in meteoritih. Zunaj v medzvezdnem prostoru, kjer je izjemno hladno, ti atomi železa delujejo kot 'kondenzacijska jedra' za ogljik. Različne dolžine ogljikovih verig bi se prilepile nanje in ta proces bi proizvedel drugačne molekule kot tiste, proizvedene s plinastim železom.
Železa v teh molekulah nismo mogli videti, ker se maskirajo kot ogljikove molekule brez železa.
V izjava za javnost Tarakeshwar je dejal: 'Izračunali smo, kako bi izgledali spektri teh molekul, in ugotovili smo, da imajo spektroskopske podpise skoraj identične molekulam z ogljikovo verigo brez železa.' Dodal je, da bi zaradi tega 'prejšnja astrofizična opazovanja lahko spregledala te molekule ogljik plus železo.'
Buckyballs in Mothballs
Ne samo, da so našli 'manjkajoče' železo, morda so rešili še eno dolgoživo skrivnost: obilico nestabilnih molekul ogljikove verige v vesolju.
Ogljikove verige, ki imajo več kot devet ogljikovih atomov, so nestabilne. Ko pa znanstveniki pogledajo v vesolje, najdejo ogljikove verige z več kot devet atomov ogljika . Vedno je bila skrivnost, kako je narava lahko oblikovala te nestabilne verige.
Umetnikov koncept buckyballs in policikličnih aromatskih ogljikovodikov okoli zvezde R Coronae Borealis, bogate z vodikom. Zasluge: MultiMedia Service (IAC)
Kot se je izkazalo, je železo tisti, ki daje tem ogljikovim verigam njihovo stabilnost. 'Daljše ogljikove verige se stabilizirajo z dodatkom železnih grozdov,' je dejal Buseck.
Ne samo to, ta ugotovitev odpira novo pot za izgradnjo bolj zapletenih molekul v vesolju, kot so poliaromatski ogljikovodiki, od katerih je znan primer naftalen, ki je glavna sestavina naftalina.
Timmes je dejal: 'Naše delo ponuja nov vpogled v premostitev zevajoče vrzeli med molekulami, ki vsebujejo devet ali manj ogljikovih atomov, in kompleksnimi molekulami, kot je C60 buckminsterfulleren, bolj znani kot 'buckyballs'.'
Viri:
- Izjava za javnost: Medzvezdno železo ne manjka, samo se skriva na očeh
- Raziskovalna naloga: O strukturi, magnetnih lastnostih in infrardečem spektru železovih psevdokarbina v medzvezdnem mediju