Fierul este unul dintre cele mai abundente elemente din Univers, împreună cu elemente mai ușoare precum hidrogenul, oxigenul și carbonul. În spațiul interstelar, ar trebui să existe cantități abundente de fier în forma sa gazoasă. Atunci de ce, când astrofizicianii privesc în spațiu, văd atât de puțin din el?
În primul rând, există un motiv pentru care fierul este atât de abundent și este legat de un lucru din astrofizică numit vârf de fier .
În Universul nostru, altele decât hidrogenul și heliul sunt create de nucleosinteză în stele. (Hidrogenul, heliul și unele litiu și beriliu au fost create în Nucleosinteza Big Bang .) Dar elementele nu sunt create în cantități egale. Există o imagine care ajută să arate acest lucru.
Abundență de elemente în Univers. Hidrogenul și heliul sunt abundente, apoi există o scădere pentru litiu, beriliu și bor, care sunt slab sintetizate în stele și în Big Bang. Mișcă-ți ochiul spre dreapta și vezi fierul, pe propriul vârf. După fier, totul se reduce din abundență. Credit imagine: Încărcătorul original avea 28 de octeți pe Wikipedia în engleză. – Transferat de la en.wikipedia la Commons., CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=16988506
Motivul pentru vârful de fier are de-a face cu energia necesară pentru fuziunea nucleară și pentru fisiunea nucleară.
Pentru elementele mai ușoare decât fierul, în stânga sa, fuziunea eliberează energie și fisiunea o consumă. Pentru elementele mai grele decât fierul, în dreapta sa este adevărat invers: fuziunea sa care consumă energie și fisiunea care o eliberează. Este din cauza a ceea ce se numește energie de legătură în fizica atomică.
Asta are sens dacă te gândești la stele și la energia atomică. Folosim fisiunea pentru a genera energie în centralele nucleare cu uraniu, care este mult mai greu decât fierul. Stelele creează energie prin fuziune, folosind hidrogen, care este mult mai ușor decât fierul.
În viața obișnuită a unei stele, elementele până la și inclusiv fierul sunt create prin nucleosinteză. Dacă doriți elemente mai grele decât fierul, trebuie să așteptați ca o supernovă să se întâmple și rezultatul nucleosinteza supernovei . Deoarece supernovele sunt rare, elementele mai grele sunt mai rare decât elementele ușoare.
Impresie artistică a unei stele care devine supernovă, aruncând conținutul său îmbogățit chimic în univers. Credit: NASA/Swift/Skyworks Digital/Dana Berry
Este posibil să petreci o cantitate extraordinară de timp mergând în gaura de iepure a fizicii nucleare și, dacă o faci, vei întâlni o cantitate enormă de detalii. Dar, practic, din motivele de mai sus, fierul este relativ abundent în Universul nostru. Este stabil și necesită o cantitate enormă de energie pentru a topi fierul în ceva mai greu.
De ce nu putem vedea?
Știm că fierul în formă solidă există în nucleele și scoarțele planetelor precum a noastră. Și știm, de asemenea, că este comună sub formă gazoasă în stele precum Soarele. Dar lucrul este că ar trebui să fie obișnuit în mediile interstelare în forma sa gazoasă, dar pur și simplu nu îl putem vedea.
Din moment ce știm că trebuie să fie acolo, implicația este că este învelit într-un alt proces sau formă solidă sau stare moleculară. Și chiar dacă oamenii de știință au căutat de zeci de ani și chiar dacă ar trebui să fie al patrulea cel mai abundent element din modelul de abundență solară, nu l-au găsit.
Pana acum.
Acum, o echipă de cosmochimiști de la Universitatea de Stat din Arizona spun că au rezolvat misterul fierului lipsă. Ei spun că fierul s-a ascuns la vedere, în combinație cu molecule de carbon în lucruri numite pseudocarbynes. Și pseudocarbinele sunt dificil de văzut, deoarece spectrele sunt identice cu alte molecule de carbon care sunt abundente în spațiu.
Echipa de oameni de știință include autorul principal Pilarasetty Tarakeshwar, profesor asociat de cercetare la Școala de Științe Moleculare a ASU. Ceilalți doi membri sunt Peter Buseck și Frank Timmes, ambii la Școala de Explorare a Pământului și Spațiului a ASU. Lucrarea lor se intitulează „ Despre structura, proprietățile magnetice și spectrele infraroșu ale pseudocarbinelor de fier în mediul interstelar ” și este publicat în Astrophysical Journal.
„Propunem o nouă clasă de molecule care probabil să fie răspândite în mediul interstelar”, a spus Tarakeshwar într-un Comunicat de presă .
Pseudocarbinele de fier sunt probabil răspândite în mediul interstelar, unde temperaturile extrem de scăzute ar conduce lanțurile de carbon să se condenseze pe clusterele Fe. Peste eoni, molecule organice complexe ar apărea din aceste pseudocarbyne Fe. Modelul prezintă un lanț de carbon acoperit cu hidrogen atașat la un cluster Fe13 (atomii de fier sunt maro roșiatic, carbonul este gri, hidrogenul este gri deschis).
Echipa sa concentrat asupra fierului gazos și asupra modului în care doar câțiva atomi din acesta s-ar putea uni cu atomii de carbon. Fierul s-ar combina cu lanțurile de carbon, iar moleculele rezultate ar conține ambele elemente.
Ei au analizat, de asemenea, dovezile recente ale unui grup de atomi de fier în praful de stele și meteoriți. În spațiul interstelar, unde este extrem de frig, acești atomi de fier acționează ca niște „nuclee de condensare” pentru carbon. Lungimi variate de lanțuri de carbon s-ar lipi de ele, iar acest proces ar produce molecule diferite decât cele produse cu fier gazos.
Nu am putut vedea fierul din aceste molecule, pentru că ele se mascadă ca molecule de carbon fără fier.
Într-o Comunicat de presă , a spus Tarakeshwar, „Am calculat cum ar arăta spectrele acestor molecule și am descoperit că au semnături spectroscopice aproape identice cu moleculele cu lanț de carbon fără fier.” El a adăugat că, din această cauză, „Observațiile astrofizice anterioare ar fi putut trece cu vederea aceste molecule de carbon plus fier”.
Buckyballs și Mothballs
Nu numai că au găsit fierul „lipsă”, dar este posibil să fi rezolvat un alt mister de lungă durată: abundența de molecule instabile ale lanțului de carbon în spațiu.
Lanțurile de carbon care au mai mult de nouă atomi de carbon sunt instabile. Dar când oamenii de știință se uită în spațiu, găsesc lanțuri de carbon cu mai mult de nouă atomi de carbon . A fost întotdeauna un mister modul în care natura a reușit să formeze aceste lanțuri instabile.
Conceptul artistic de buckyballs și hidrocarburi aromatice policiclice în jurul unei stele R Coronae Borealis bogată în hidrogen. Credit: MultiMedia Service (IAC)
După cum se dovedește, fierul este cel care conferă acestor lanțuri de carbon stabilitatea lor. „Lanțurile de carbon mai lungi sunt stabilizate prin adăugarea de grupuri de fier”, a spus Buseck.
Nu numai că, dar această descoperire deschide o nouă cale pentru construirea de molecule mai complexe în spațiu, cum ar fi hidrocarburile poliaromatice, dintre care naftalina este un exemplu familiar, fiind ingredientul principal în naftalină.
Timmes a spus: „Munca noastră oferă noi perspective pentru a reduce decalajul dintre moleculele care conțin nouă sau mai puțini atomi de carbon și molecule complexe, cum ar fi buckminsterfulleren C60, mai bine cunoscut sub numele de „buckyballs”.
Surse:
- Comunicat de presă: Fierul interstelar nu lipsește, se ascunde doar la vedere
- Lucrare de cercetare: Despre structura, proprietățile magnetice și spectrele infraroșu ale pseudocarbinelor de fier în mediul interstelar