Železo je jedním z nejhojnějších prvků ve vesmíru, spolu s lehčími prvky, jako je vodík, kyslík a uhlík. Venku v mezihvězdném prostoru by mělo být velké množství železa v jeho plynné formě. Proč tedy, když se astrofyzik dívá do vesmíru, vidí to tak málo?
Zaprvé existuje důvod, že železo je tak hojné a souvisí s věcí v astrofyzice zvanou železný vrchol.
V našem vesmíru jsou prvky jiné než vodík a helium vytvářeny nukleosyntézou ve hvězdách. (Vodík, helium a nějaké lithium a berylium byly vytvořeny v nukleosyntéze Velkého třesku.) Avšak elementy nebyly vytvořeny ve stejném množství. Je to obrázek, který vám to pomůže ukázat.
Důvod pro vrchol železa souvisí s energií potřebnou pro jadernou fúzi a jaderné štěpení.
U prvků lehčích než železo po fúzi uvolňuje energie energie a štěpení ji spotřebovává. U prvků těžších než železo je na pravé straně pravý opak: jeho fúze, která spotřebovává energii, a štěpení, které ji uvolňuje. Je to kvůli tomu, co se v atomové fyzice nazývá vazebná energie.
To dává smysl, pokud uvažujete o hvězdách a atomové energii. Štěpení používáme k výrobě energie v jaderných elektrárnách s uranem, který je mnohem těžší než železo. Hvězdy vytvářejí energii fúzí a používají vodík, který je mnohem lehčí než železo.
V běžném životě hvězdy jsou elementy až do a včetně železa vytvářeny nukleosyntézou. Pokud chcete prvky těžší než železo, musíte počkat, až se objeví supernova a výsledná supernova nukleosyntéza. Protože supernovy jsou vzácné, těžší prvky jsou vzácnější než světelné prvky.
Je možné strávit neobyčejné množství času sestupováním králičí díry jaderné fyziky a pokud ano, narazíte na obrovské množství detailů. Ale v zásadě z výše uvedených důvodů je železo v našem vesmíru relativně hojné. Je stabilní a vyžaduje obrovské množství energie, aby roztavilo železo do něčeho těžšího.
Proč to nevidíme?
Víme, že železo v pevné formě existuje v jádrech a krustách planet, jako je ta naše. A také víme, že je běžný v plynné formě ve hvězdách, jako je Slunce. Jde ale o to, že by to mělo být běžné v mezihvězdném prostředí v jeho plynné formě, ale my to prostě nemůžeme vidět.
Protože víme, že to musí být, implikuje to, že je zabalený do nějakého jiného procesu nebo pevné formy nebo molekulárního stavu. A přestože vědci hledali desetiletí, a přestože by to měl být čtvrtý nejhojnější prvek ve vzorci hojnosti slunce, nenašli ho.
Do teď.
Nyní tým kosmochemiků z Arizonské státní univerzity říká, že vyřešili záhadu chybějícího železa. Říká se, že železo se skrývá před očima v kombinaci s molekulami uhlíku ve věcech zvaných pseudokarbyny. A pseudokarbyny jsou obtížné vidět, protože spektra jsou identická s ostatními molekulami uhlíku, které jsou v prostoru hojné.
V týmu vědců je hlavní autor Pilarasetty Tarakeshwar, vědecký docent ve škole molekulárních věd ASU. Dalšími dvěma členy jsou Peter Buseck a Frank Timmes, a to jak ve škole Země ASU, tak ve vesmíru. Jejich článek je nazván „O struktuře, magnetických vlastnostech a infračerveném spektru železných pseudokarbynů v mezihvězdném médiu“ a je publikován v Astrofyzikálním časopise.
"Navrhujeme novou třídu molekul, které budou pravděpodobně rozšířeny v mezihvězdném médiu," řekl Tarakeshwar v tiskové zprávě.
Tým se soustředil na plynné železo a na to, jak se s atomy uhlíku může spojit jen několik atomů. Železo by se spojilo s uhlíkovými řetězci a výsledné molekuly by obsahovaly oba prvky.
Také se podívali na nedávné důkazy shluku atomů železa ve hvězdách a meteoritech. Ven v mezihvězdném prostoru, kde je extrémně chladno, působí tyto atomy železa jako uhlík jako „kondenzační jádra“. Byly by na nich různé délky uhlíkových řetězců a tento proces by produkoval jiné molekuly než ty, které byly produkovány plynným železem.
V těchto molekulách jsme nemohli vidět železo, protože se maskovali jako uhlíkové molekuly bez železa.
V tiskové zprávě Tarakeshwar řekl: „Vypočítali jsme, jak by spektra těchto molekul vypadala, a zjistili jsme, že mají spektroskopické podpisy téměř identické s molekulami uhlíkového řetězce bez jakéhokoli železa.“ Dodal, že z tohoto důvodu „Předchozí astrofyzikální pozorování mohla tyto molekuly uhlíku a železa přehlédnout.“
Buckyballs a Mothballs
Nejen, že našli „chybějící“ železo, ale možná vyřešili další dlouho žijící tajemství: hojnost nestabilních molekul uhlíkového řetězce ve vesmíru.
Uhlíkové řetězce, které mají více než devět atomů uhlíku, jsou nestabilní. Když však vědci hledí do vesmíru, najdou uhlíkové řetězce s více než devíti atomy uhlíku. Vždy bylo záhadou, jak příroda dokázala tvořit tyto nestabilní řetězce.
Jak se ukazuje, je to železo, které dává těmto uhlíkovým řetězcům jejich stabilitu. "Delší uhlíkové řetězce jsou stabilizovány přidáním železných shluků," řekl Buseck.
Nejen to, ale toto zjištění otevírá novou cestu pro budování složitějších molekul v prostoru, jako jsou polyaromatické uhlovodíky, jejichž naftalen je známý příklad, který je hlavní složkou v můrách.
„Naše práce poskytuje nový pohled na překlenutí zející mezery mezi molekulami obsahujícími devět nebo méně atomů uhlíku a komplexními molekulami, jako je C60 buckminsterfullerene, lépe známý jako„ buckyballs “.“ “
Zdroje:
- Tisková zpráva: Mezihvězdné železo nechybí, jen se skrývá před očima
- Výzkumný článek: Struktura, magnetické vlastnosti a infračervené spektrum železných pseudokarbynů v mezihvězdném médiu
