Željezo je jedan od najzastupljenijih elemenata u svemiru, zajedno s lakšim elementima poput vodika, kisika i ugljika. Vani u međuzvjezdanom prostoru trebale bi postojati velike količine željeza u plinovitom obliku. Pa zašto, kada astrofizičari gledaju u svemir, vide ga tako malo?
Prije svega, postoji razlog zašto je željeza u tolikoj količini, a to je povezano s nečim u astrofizici koji se zove željezni vrh .
U našem svemiru, osim vodika i helija, nastaju elementi nukleosinteza u zvijezdama. (Vodik, helij i nešto litija i berilija stvoreni su u Nukleosinteza Velikog praska .) Ali elementi se ne stvaraju u jednakim količinama. Postoji slika koja to pomaže pokazati.
Obilje elemenata u Svemiru. Vodika i helija ima u izobilju, zatim dolazi do pada litija, berilija i bora, koji se slabo sintetiziraju u zvijezdama i u Velikom prasku. Pomaknite oko udesno i vidite željezo, na vlastitom vrhu. Nakon željeza sve se reducira u izobilju. Zasluga slike: Originalni prijenosnik bio je 28 bajtova na engleskoj Wikipediji. – Preneseno s en.wikipedia na Commons., CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=16988506
Razlog za vrh željeza povezan je s energijom potrebnom za nuklearnu fuziju i nuklearnu fisiju.
Za elemente lakše od željeza, s njegove lijeve strane, fuzija oslobađa energiju, a fisija je troši. Za elemente teže od željeza, s njegove desne strane, vrijedi obrnuto: njegova fuzija koja troši energiju i fisija koja je oslobađa. To je zbog onoga što se zove energija vezanja u atomskoj fizici.
To ima smisla ako mislite na zvijezde i atomsku energiju. Koristimo fisiju za proizvodnju energije u nuklearnim elektranama s uranom, koji je puno teži od željeza. Zvijezde stvaraju energiju fuzijom, koristeći vodik, koji je mnogo lakši od željeza.
U običnom životu zvijezde, elementi do i uključujući željezo nastaju nukleosintezom. Ako želite elemente teže od željeza, morate pričekati da se dogodi supernova, i da nastane nukleosinteza supernove . Budući da su supernove rijetke, teži elementi su rjeđi od lakih.
Umjetnički dojam zvijezde koja ide u supernovu, bacajući svoj kemijski obogaćeni sadržaj u svemir. Zasluge: NASA/Swift/Skyworks Digital/Dana Berry
Moguće je provesti nevjerojatnu količinu vremena prolazeći niz zečju rupu nuklearne fizike, a ako to učinite, naići ćete na ogromnu količinu detalja. Ali u osnovi, iz gore navedenih razloga, željeza je relativno u izobilju u našem Svemiru. Stabilan je i zahtijeva ogromnu količinu energije da se željezo spoji u nešto teže.
Zašto to ne možemo vidjeti?
Znamo da željezo u čvrstom obliku postoji u jezgri i korama planeta poput našeg. Također znamo da je uobičajen u plinovitom obliku kod zvijezda poput Sunca. Ali stvar je u tome da bi trebao biti uobičajen u međuzvjezdanim okruženjima u svom plinovitom obliku, ali mi to jednostavno ne možemo vidjeti.
Budući da znamo da mora biti tamo, implikacija je da je umotana u neki drugi proces ili čvrsti oblik ili molekularno stanje. I iako su znanstvenici tražili desetljećima, i iako bi trebao biti četvrti najzastupljeniji element u obrascu sunčevog obilja, nisu ga pronašli.
Do sada.
Sada tim kozmokemičara sa Sveučilišta Arizona State kaže da su riješili misterij nestalog željeza. Kažu da se željezo skrivalo na vidiku, u kombinaciji s molekulama ugljika u stvarima zvanim pseudokarbini. A pseudokarbine je teško vidjeti jer su spektri identični drugim molekulama ugljika kojih ima u svemiru.
Tim znanstvenika uključuje vodeću autoricu Pilarasetty Tarakeshwar, istraživačicu izvanrednu profesoricu na Školi molekularnih znanosti ASU. Druga dva člana su Peter Buseck i Frank Timmes, obojica u ASU-ovoj školi za istraživanje Zemlje i svemira. Njihov rad nosi naslov “ O strukturi, magnetskim svojstvima i infracrvenim spektrima željeznih pseudokarbina u međuzvjezdanom mediju ” i objavljeno je u časopisu Astrophysical Journal.
'Predlažemo novu klasu molekula koje će vjerojatno biti raširene u međuzvjezdanom mediju', rekao je Tarakeshwar u priopćenje za javnost .
Željezni pseudokarbini su vjerojatno rašireni u međuzvjezdanom mediju, gdje bi ekstremno niske temperature dovele do kondenzacije ugljikovih lanaca na Fe nakupinama. Tijekom eona, složene organske molekule će se pojaviti iz ovih Fe pseudokarbina. Model prikazuje ugljikov lanac prekriven vodikom vezan za Fe13 klaster (atomi željeza su crvenkasto smeđi, ugljik je siv, vodik je svijetlo siv).
Tim se usredotočio na plinovito željezo i kako bi se samo nekoliko njegovih atoma moglo spojiti s atomima ugljika. Željezo bi se spojilo s ugljikovim lancima, a rezultirajuće molekule bi sadržavale oba elementa.
Također su pogledali nedavne dokaze nakupina atoma željeza u zvjezdanoj prašini i meteoritima. Vani u međuzvjezdanom prostoru, gdje je izuzetno hladno, ovi atomi željeza djeluju kao 'kondenzacijske jezgre' za ugljik. Različite duljine ugljikovih lanaca zalijepile bi se za njih, a taj proces bi proizveo različite molekule od onih proizvedenih s plinovitim željezom.
Nismo mogli vidjeti željezo u tim molekulama, jer se maskiraju kao molekule ugljika bez željeza.
U priopćenje za javnost , rekao je Tarakeshwar, 'Izračunali smo kako bi izgledali spektri ovih molekula i otkrili smo da imaju spektroskopske potpise gotovo identične molekulama ugljičnog lanca bez željeza.' Dodao je da su zbog toga 'prethodna astrofizička promatranja mogla previdjeti ove molekule ugljik plus željezo.'
Buckyballs i Momballs
Ne samo da su pronašli željezo koje “nedostaje”, već su možda riješili još jednu dugovječnu misteriju: obilje nestabilnih molekula ugljičnog lanca u svemiru.
Lanci ugljika koji imaju više od devet ugljikovih atoma su nestabilni. Ali kada znanstvenici pogledaju u svemir, pronalaze ugljične lance više od devet ugljikovih atoma . Uvijek je bila misterija kako je priroda uspjela formirati te nestabilne lance.
Umjetnički koncept buckyballs i policikličkih aromatskih ugljikovodika oko zvijezde R Coronae Borealis bogate vodikom. Zasluga: Multimedijska usluga (IAC)
Kako se ispostavilo, željezo je ono što ovim ugljikovim lancima daje njihovu stabilnost. “Duži ugljikovi lanci stabilizirani su dodavanjem klastera željeza”, rekao je Buseck.
Ne samo to, već ovo otkriće otvara novi put za izgradnju složenijih molekula u svemiru, poput poliaromatskih ugljikovodika, čiji je naftalen poznati primjer, jer je glavni sastojak naftalina.
Timmes je rekao: “Naš rad pruža nove uvide u premošćivanje jaza između molekula koje sadrže devet ili manje ugljikovih atoma i složenih molekula kao što je C60 buckminsterfulleren, poznatiji kao 'buckyballs'.”
