Jern er et af de mest rigelige elementer i universet sammen med lettere elementer som brint, ilt og kulstof. Uden i det interstellære rum bør der være rigelige mængder jern i dens gasform. Så hvorfor, når astrofysiker ser ud i rummet, ser de så lidt af det?
Først og fremmest er der en grund til, at jern er så rigeligt, og det har relation til en ting inden for astrofysik, der kaldes jerntoppen.
I vores univers oprettes andre elementer end brint og helium ved nukleosyntesen i stjerner. (Hydrogen, helium og noget lithium og beryllium blev skabt i Big Bang-nukleosyntesen.) Men elementerne oprettes ikke i lige store mængder. Der er et billede, der hjælper med at vise dette.
Årsagen til jerntoppen har at gøre med den energi, der kræves til nuklear fusion og til nuklear fission.
For elementerne, der er lettere end jern, til venstre frigiver fusion energi, og fission forbruger den. For elementer, der er tungere end jern, til højre, er det omvendte sandt: dets fusion, der bruger energi, og fission, der frigiver det. Det er på grund af det, der kaldes bindende energi i atomfysikken.
Det giver mening, hvis du tænker på stjerner og atomenergi. Vi bruger fission til at generere energi i atomkraftværker med uran, som er meget tungere end jern. Stjerner skaber energi med fusion ved hjælp af brint, der er meget lettere end jern.
I en stjerners almindelige liv oprettes elementer op til og med jern ved nukleosyntesen. Hvis du vil have elementer, der er tungere end jern, er du nødt til at vente på, at en supernova skal ske, og til den resulterende supernova-nukleosynthese. Da supernovaer er sjældne, er de tungere elementer sjældnere end de lette elementer.
Det er muligt at bruge en ekstraordinær mængde tid på at gå ned i det nukleare fysiske kaninhul, og hvis du gør det, vil du støde på en enorm mængde detaljer. Men grundlæggende er jern relativt mange i grunden af ovenstående grunde. Det er stabilt, og det kræver en enorm mængde energi for at smelte jern til noget tungere.
Hvorfor kan vi ikke se det?
Vi ved, at jern i fast form findes i kernerne og skorpene i planeter som vores egen. Og vi ved også, at det er almindeligt i gasform i stjerner som Solen. Men tinget er, at det skal være almindeligt i interstellære miljøer i sin gasform, men vi kan bare ikke se det.
Da vi ved, at det skal være der, er implikationen, at det er pakket ind i en anden proces eller fast form eller molekylær tilstand. Og selvom forskere har kigget i årtier, og selvom det skulle være det fjerde-rigeste element i solforekomstmønsteret, fandt de det ikke.
Indtil nu.
Nu siger et team af kosmokemister fra Arizona State University, at de har løst mysteriet om det manglende jern. De siger, at jernet har gemt sig i synet i kombination med kulstofmolekyler i ting, der kaldes pseudocarbynes. Og pseudocarbynes er vanskelige at se, fordi spektre er identiske med andre kulstofmolekyler, der er rigelige i rummet.
Forskerholdet inkluderer hovedforfatter Pilarasetty Tarakeshwar, forskningsassistent i ASU's School of Molecular Sciences. De to andre medlemmer er Peter Buseck og Frank Timmes, begge i ASU's School of Earth and Space Exploration. Deres papir er titlen ”På strukturen, magnetiske egenskaber og infrarøde spektre af jernpseudocarbyner i det interstellare medium” og offentliggøres i Astrophysical Journal.
”Vi foreslår en ny klasse af molekyler, der sandsynligvis er udbredt i det interstellare medium,” sagde Tarakeshwar i en pressemeddelelse.
Holdet fokuserede på gasformigt jern, og hvordan kun et par atomer af det kunne forene sig med kulstofatomer. Jernet ville kombinere med kulstofkæderne, og de resulterende molekyler ville indeholde begge elementer.
De kiggede også på nylige beviser for klynge af jernatomer i stardust og meteoritter. Ude i det interstellære rum, hvor det er ekstremt koldt, fungerer disse jernatomer lidt som ”kondensationskerner” for kulstof. Forskellige længder af kulstofkæder ville klæbe fast ved dem, og den proces ville producere forskellige molekyler end dem, der blev produceret med gasformigt jern.
Vi kunne ikke se jernet i disse molekyler, fordi de maskererer sig som kulstofmolekyler uden jern.
I en pressemeddelelse sagde Tarakeshwar: "Vi beregnet, hvordan spektraerne for disse molekyler ville se ud, og vi fandt, at de har spektroskopiske underskrifter næsten identiske med kulstofkædemolekyler uden jern." Han tilføjede, at på grund af dette kunne "Tidligere astrofysiske observationer have overset disse carbon-plus-jernmolekyler."
Buckyballs og Mothballs
Ikke kun har de fundet det "manglende" jern, de har muligvis løst et andet langvarigt mysterium: overflod af ustabile kulstofkædemolekyler i rummet.
Carbonkæder, der har mere end ni carbonatomer, er ustabile. Men når forskere ser ud i rummet, finder de kulstofkæder med mere end ni carbonatomer. Det har altid været et mysterium, hvordan naturen var i stand til at danne disse ustabile kæder.
Som det viser sig, er det jernet, der giver disse kulstofkæder deres stabilitet. "Længere kulstofkæder stabiliseres ved tilsætning af jernklynger," sagde Buseck.
Ikke kun det, men dette fund åbner en ny vej til opbygning af mere komplekse molekyler i rummet, såsom polyaromatiske kulbrinter, hvoraf naphthalen er et velkendt eksempel, der er hovedbestanddel i møllekugler.
Sagde Timmes, "Vores arbejde giver ny indsigt i at bygge bro mellem det gabende gap mellem molekyler, der indeholder ni eller færre carbonatomer og komplekse molekyler som C60 buckminsterfullerene, bedre kendt som 'buckyballs.'"
Kilder:
- Pressemeddelelse: Mellemstjernet jern mangler ikke, det gemmer sig bare i synet
- Forskningsartikel: Om strukturen, magnetiske egenskaber og infrarøde spektre af jernpseudocarbyner i det interstellare medium
