Järn är ett av de vanligaste grundämnena i universum, tillsammans med lättare grundämnen som väte, syre och kol. Ute i det interstellära rymden borde det finnas rikliga mängder järn i dess gasform. Så varför, när astrofysiker tittar ut i rymden, ser de så lite av det?
Först och främst finns det en anledning till att det finns så gott om järn, och det är relaterat till en sak inom astrofysiken som kallas järntopp .
I vårt universum skapas andra grundämnen än väte och helium av nukleosyntes i stjärnor. (Väte, helium och lite litium och beryllium skapades i Big Bang nukleosyntes .) Men elementen skapas inte i lika stora mängder. Det finns en bild som hjälper till att visa detta.
Överflöd av element i universum. Väte och helium finns i överflöd, sedan finns det en droppe av litium, beryllium och bor, som syntetiseras dåligt i stjärnor och i Big Bang. Flytta ögat åt höger och se järn, på sin egen topp. Efter järn reduceras allt i överflöd. Bildkredit: Den ursprungliga uppladdaren var 28 byte på engelska Wikipedia. – Överförd från en.wikipedia till Commons., CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=16988506
Orsaken till järntoppen har att göra med den energi som krävs för kärnfusion och för kärnklyvning.
För grundämnen som är lättare än järn, till vänster, frigör fusion energi och fission förbrukar den. För grundämnen som är tyngre än järn, till höger om den, är det omvända: dess fusion som förbrukar energi och klyvning som frigör den. Det är på grund av vad som heter bindande energi i atomfysik.
Det är vettigt om du tänker på stjärnor och atomenergi. Vi använder fission för att generera energi i kärnkraftverk med uran, som är mycket tyngre än järn. Stjärnor skapar energi med fusion, med hjälp av väte, som är mycket lättare än järn.
I en stjärnas vanliga liv skapas grundämnen upp till och med järn genom nukleosyntes. Om du vill ha grundämnen tyngre än järn måste du vänta på att en supernova ska hända, och på resultatet supernova nukleosyntes . Eftersom supernovor är sällsynta är de tyngre grundämnena sällsynta än de lätta.
Konstnärligt intryck av en stjärna som går supernova som kastar ut sitt kemiskt berikade innehåll i universum. Kredit: NASA/Swift/Skyworks Digital/Dana Berry
Det är möjligt att spendera extraordinärt mycket tid på att gå ner i kärnfysikens kaninhål, och om du gör det kommer du att möta en enorm mängd detaljer. Men i grund och botten, av skälen ovan, är järn relativt rikligt i vårt universum. Det är stabilt och det kräver en enorm mängd energi för att smälta samman järn till något tyngre.
Varför kan vi inte se det?
Vi vet att järn i fast form finns i kärnorna och skorpan på planeter som vår egen. Och vi vet också att det är vanligt i gasform i stjärnor som solen. Men saken är att den borde vara vanlig i interstellära miljöer i sin gasform, men vi kan bara inte se den.
Eftersom vi vet att det måste finnas där, är implikationen att det är insvept i någon annan process eller fast form eller molekylärt tillstånd. Och även om forskare har letat i årtionden, och även om det borde vara det fjärde vanligaste elementet i solmönstret, har de inte hittat det.
Tills nu.
Nu säger ett team av kosmokemister från Arizona State University att de har löst mysteriet med det saknade järnet. De säger att järnet har gömt sig i sikte, i kombination med kolmolekyler i saker som kallas pseudokarbyner. Och pseudokarbyner är svåra att se eftersom spektra är identiska med andra kolmolekyler som finns rikligt i rymden.
Teamet av forskare inkluderar huvudförfattaren Pilarasetty Tarakeshwar, forskningsdocent vid ASU:s School of Molecular Sciences. De andra två medlemmarna är Peter Buseck och Frank Timmes, båda i ASU:s School of Earth and Space Exploration. Deras tidning heter ' Om strukturen, magnetiska egenskaper och infraröda spektra av järn Pseudocarbynes i det interstellära mediet ” och publiceras i Astrophysical Journal.
'Vi föreslår en ny klass av molekyler som sannolikt kommer att vara utbredda i det interstellära mediet,' sa Tarakeshwar i en pressmeddelande .
Järnpseudokarbyner är sannolikt utbredda i det interstellära mediet, där extremt kalla temperaturer skulle leda till att kolkedjor kondenserar på Fe-klustren. Under eoner skulle komplexa organiska molekyler uppstå från dessa Fe-pseudokarbyner. Modellen visar en vätebelagd kolkedja fäst vid en Fe13-kluster (järnatomer är rödbruna, kol är grått, väte är ljusgrå).
Teamet fokuserade på gasformigt järn och hur bara ett fåtal atomer av det kan förenas med kolatomer. Järnet skulle kombineras med kolkedjorna, och de resulterande molekylerna skulle innehålla båda elementen.
De tittade också på nya bevis på kluster av järnatomer i stjärndamm och meteoriter. Ute i det interstellära rymden, där det är extremt kallt, fungerar dessa järnatomer ungefär som 'kondensationskärnor' för kol. Olika längder av kolkedjor skulle hålla fast vid dem, och den processen skulle producera andra molekyler än de som produceras med gasformigt järn.
Vi kunde inte se järnet i dessa molekyler, eftersom de maskerar sig som kolmolekyler utan järn.
I en pressmeddelande , sa Tarakeshwar, 'Vi beräknade hur spektra för dessa molekyler skulle se ut, och vi fann att de har spektroskopiska signaturer nästan identiska med kolkedjemolekyler utan något järn.' Han tillade att på grund av detta, 'Tidigare astrofysiska observationer kunde ha förbisett dessa kol-plus-järnmolekyler.'
Buckyballs och malkulor
De har inte bara hittat det 'saknade' järnet, de kan ha löst ett annat långlivat mysterium: överflödet av instabila kolkedjemolekyler i rymden.
Kolkedjor som har mer än nio kolatomer är instabila. Men när forskare tittar ut i rymden hittar de kolkedjor med mer än nio kolatomer . Det har alltid varit ett mysterium hur naturen kunde bilda dessa instabila kedjor.
Konstnärens koncept med buckyballs och polycykliska aromatiska kolväten runt en R Coronae Borealis-stjärna rik på väte. Kredit: MultiMedia Service (IAC)
Som det visar sig är det järnet som ger dessa kolkedjor deras stabilitet. 'Längre kolkedjor stabiliseras genom tillsats av järnkluster,' sa Buseck.
Inte bara det, utan denna upptäckt öppnar en ny väg för att bygga mer komplexa molekyler i rymden, såsom polyaromatiska kolväten, varav naftalen är ett välbekant exempel, som är huvudingrediensen i malkulor.
Sa Timmes, 'Vårt arbete ger nya insikter om att överbrygga det gäspande gapet mellan molekyler som innehåller nio eller färre kolatomer och komplexa molekyler som C60 buckminsterfulleren, mer känd som 'buckyballs'.'