Jern er et av de mest tallrike elementene i universet, sammen med lettere elementer som hydrogen, oksygen og karbon. Ute i det interstellare rom, bør det være rikelig med jern i sin gassform. Så hvorfor, når astrofysiker ser ut i verdensrommet, ser de så lite av det?
For det første er det en grunn til at jern er så rikelig, og det har sammenheng med en ting i astrofysikk som kalles jerntoppen.
I vårt univers blir andre elementer enn hydrogen og helium skapt av nukleosyntesen i stjerner. (Hydrogen, helium og litt litium og beryllium ble opprettet i Big Bang-nukleosyntesen.) Men elementene er ikke opprettet i like store mengder. Det er et bilde som hjelper til med å vise dette.
Årsaken til jerntoppen har å gjøre med energien som kreves for kjernefusjon og for kjernefysjon.
For elementene som er lettere enn jern, til venstre, frigjør fusjon energi og fisjon bruker den. For elementer som er tyngre enn jern, til høyre, er det motsatte: dens fusjon som bruker energi, og fisjon som frigjør det. Det er på grunn av det som kalles bindende energi i atomfysikken.
Det er fornuftig hvis du tenker på stjerner og atomenergi. Vi bruker fisjon for å generere energi i atomkraftverk med uran, som er mye tyngre enn jern. Stjerner skaper energi med fusjon, ved å bruke hydrogen, som er mye lettere enn jern.
I det vanlige livet til en stjerne skapes elementer opp til og med jern ved nukleosyntesen. Hvis du vil ha elementer som er tyngre enn jern, må du vente på at en supernova skal skje, og på at den resulterende supernova-nukleosyntesen. Siden supernovaer er sjeldne, er de tyngre elementene sjeldnere enn de lette elementene.
Det er mulig å bruke ekstraordinær mye tid på å gå ned i kaninhullet i kjernefysikken, og hvis du gjør det, vil du møte en enorm mengde detaljer. Men av grunnene ovenfor er jern relativt rikelig i universet vårt. Det er stabilt, og det krever en enorm mengde energi for å smelte sammen jern til noe tyngre.
Hvorfor kan vi ikke se det?
Vi vet at det finnes jern i fast form i kjernene og jordskorpene til planeter som våre egne. Og vi vet også at det er vanlig i gassform i stjerner som solen. Men saken er at det skal være vanlig i interstellare miljøer i sin gassform, men vi kan bare ikke se det.
Siden vi vet at det må være der, er implikasjonen at den er pakket sammen i en annen prosess eller fast form eller molekylær tilstand. Og selv om forskere har sett etter i flere tiår, og selv om det burde være det fjerde-rikeste elementet i solfylte mønster, fant de ikke det.
Inntil nå.
Nå sier et team av kosmokjemister fra Arizona State University at de har løst mysteriet om det savnede jernet. De sier at jernet har gjemt seg i tydelig syn, i kombinasjon med karbonmolekyler i ting som kalles pseudocarbynes. Og pseudocarbynes er vanskelig å se fordi spektrene er identiske med andre karbonmolekyler som er rikelig i rommet.
Forskerteamet inkluderer hovedforfatter Pilarasetty Tarakeshwar, førsteamanuensis i ASUs School of Molecular Sciences. De to andre medlemmene er Peter Buseck og Frank Timmes, begge på ASUs School of Earth and Space Exploration. Artikkelen deres har tittelen “On the Structure, Magnetic Properties and Infrared Spectra of Iron Pseudocarbynes in the Interstellar Medium” og er publisert i Astrophysical Journal.
"Vi foreslår en ny klasse av molekyler som sannsynligvis vil være utbredt i det interstellare mediet," sa Tarakeshwar i en pressemelding.
Teamet fokuserte på gassformet jern, og hvordan bare noen få atomer av det kan komme sammen med karbonatomer. Jernet ville kombinere med karbonkjedene, og de resulterende molekylene ville inneholde begge elementene.
De så også på nylig bevis på klynge av jernatomer i stardust og meteoritter. Ute i det interstellare rommet, hvor det er ekstremt kaldt, fungerer disse jernatomene som "kondensasjonskjerner" for karbon. Forskjellige lengder av karbonkjeder ville feste seg til dem, og den prosessen ville produsere forskjellige molekyler enn de som ble produsert med gassjern.
Vi kunne ikke se jernet i disse molekylene, fordi de maskererer seg som karbonmolekyler uten jern.
I en pressemelding sa Tarakeshwar: "Vi beregnet hvordan spektrene til disse molekylene ville se ut, og vi fant ut at de har spektroskopiske signaturer nesten identiske med karbonkjedemolekyler uten jern." Han la til at på grunn av dette, "Tidligere astrofysiske observasjoner kunne ha oversett disse karbon-pluss-jernmolekylene."
Buckyballs og Mothballs
Ikke bare har de funnet det “manglende” jernet, de kan ha løst et annet langvarig mysterium: overflod av ustabile karbonkjedemolekyler i verdensrommet.
Karbonkjeder som har mer enn ni karbonatomer er ustabile. Men når forskere ser ut i verdensrommet, finner de karbonkjeder med mer enn ni karbonatomer. Det har alltid vært et mysterium hvordan naturen var i stand til å danne disse ustabile kjeder.
Det viser seg at det er jernet som gir disse karbonkjedene deres stabilitet. "Lengre karbonkjeder er stabilisert ved tilsetning av jernklynger," sier Buseck.
Ikke bare det, men dette funnet åpner en ny vei for å bygge mer komplekse molekyler i verdensrommet, for eksempel polyaromatiske hydrokarboner, hvorav naftalen er et kjent eksempel, som er hovedbestanddelen i møllkuler.
Sa Timmes, "Vårt arbeid gir ny innsikt i å bygge bro mellom gapende gap mellom molekyler som inneholder ni eller færre karbonatomer og komplekse molekyler som C60 buckminsterfullerene, bedre kjent som 'buckyballs.'"
Kilder:
- Pressemelding: Interstellært jern mangler ikke, det gjemmer seg bare i lysende syn
- Forskningsartikkel: Om strukturen, magnetiske egenskaper og infrarøde spektra av jernpseudokarbyner i det interstellare mediet
