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. De ce, atunci când astrofizicianul se uită 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 vârful fierului.
În Universul nostru, alte elemente decât hidrogenul și heliul sunt create prin 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 la afișarea acestui lucru.
Motivul vârfului de fier are legătură cu energia necesară pentru fuziunea nucleară și pentru fisiunea nucleară.
Pentru elementele mai ușoare decât fierul, pe stânga sa, fuziunea eliberează energie și fisiunea o consumă. Pentru elementele mai grele decât fierul, în dreapta sa, reversul este adevărat: fuziunea sa care consumă energie și fisiunea care o eliberează. Se datorează ceea ce se numește energie de legare 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 cu fuziunea, folosind hidrogen, care este mult mai ușor decât fierul.
În viața obișnuită a unei stele, elementele până și inclusiv fierul sunt create prin nucleosinteză. Dacă doriți elemente mai grele decât fierul, trebuie să așteptați să se întâmple o supernovă și pentru nucleozinteza supernovei rezultate. Deoarece supernovele sunt rare, elementele mai grele sunt mai rare decât elementele ușoare.
Este posibil să petrecem o perioadă extraordinară de timp coborând în gaura iepurelui de fizică nucleară și, dacă o faceți, veți 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 orice lucru mai greu.
De ce nu putem vedea asta?
Știm că fierul în formă solidă există în miezurile și crustele planetelor ca ale noastre. Și știm, de asemenea, că este comună sub formă gazoasă în stele precum Soarele. Dar este adevărat că ar trebui să fie obișnuit în mediile interstelare în forma sa gazoasă, dar doar nu putem vedea.
Deoarece știm că trebuie să fie acolo, implicația este că este învelit într-un alt proces sau o formă solidă sau o stare moleculară. Chiar dacă oamenii de știință au căutat de zeci de ani și, chiar dacă ar trebui să fie al patrulea element din cele mai abundente din modelul abundenței solare, nu l-au găsit.
Pana acum.
Acum, o echipă de cosmochemiști 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 moleculele de carbon în lucrurile numite pseudocarbine. Și pseudocarbinele sunt dificile de văzut, deoarece spectrele sunt identice cu alte molecule de carbon 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 în Școala de explorare a pământului și a spațiului ASU. Hârtia lor este intitulată „Cu privire la structură, proprietăți magnetice și spectre infraroșii ale pseudocarbonelor de fier în mijlocul interstelar” și este publicată în Jurnalul Astrofizic.
„Propunem o nouă clasă de molecule care este probabil să fie răspândite în mediul interstelar”, a spus Tarakeshwar într-un comunicat de presă.
Echipa s-a concentrat pe fierul gazos și cum doar câțiva atomi din acesta s-ar putea uni cu atomi de carbon. Fierul s-ar combina cu lanțurile de carbon, iar moleculele rezultate ar conține ambele elemente.
De asemenea, s-au uitat la dovezile recente ale grupurilor de atomi de fier din stardust și meteoriți. Afară în spațiul interstelar, unde este extrem de rece, acești atomi de fier acționează ca niște „nuclee de condens” pentru carbon. Lungimi variate de lanțuri de carbon s-ar lipi de ele, iar acest proces ar produce diferite molecule decât cele produse cu fier gazos.
Nu puteam vedea fierul în aceste molecule, deoarece se mascau ca molecule de carbon fără fier.
Într-un comunicat de presă, Tarakeshwar a spus: „Am calculat cum ar arăta spectrele acestor molecule și am descoperit că au semnături spectroscopice aproape identice cu moleculele lanțului de carbon fără niciun fier”. El a adăugat că din această cauză, „Observații 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 au rezolvat un alt mister de lungă durată: abundența moleculelor instabile de lanț de carbon în spațiu.
Lanțurile de carbon care au mai mult de nouă atomi de carbon sunt instabile. Dar când oamenii de știință privesc în spațiu, găsesc lanțuri de carbon cu mai mult de nouă atomi de carbon. A fost întotdeauna un mister cum natura a putut să formeze aceste lanțuri instabile.
După cum se dovedește, este fierul care le oferă acestor lanțuri de carbon stabilitatea lor. „Lanțurile de carbon mai lungi sunt stabilizate prin adăugarea de clustere de fier”, a spus Buseck.
Nu numai că, dar această constatare deschide o nouă cale pentru construirea de molecule mai complexe în spațiu, cum ar fi hidrocarburile poliaromatice, din care naftalenul este un exemplu familiar, fiind ingredientul principal în bulionele de molie.
A spus Timmes, „Lucrările noastre oferă noi idei în ceea ce privește reducerea decalajului de căscat între moleculele care conțin nouă sau mai puțini atomi de carbon și molecule complexe, cum ar fi buckminsterfullerene C60, mai cunoscute sub numele de„ buckyballs ”.
Surse:
- Comunicat de presă: fierul interstelar nu lipsește, ci doar se ascunde la vedere
- Lucrare de cercetare: privind structura, proprietățile magnetice și spectrele infraroșii ale pseudocarbonelor de fier în mediul interstelar
