Järn är ett av de vanligaste elementen i universum, tillsammans med lättare element som väte, syre och kol. Ute i det interstellära utrymmet bör det finnas rikliga mängder järn i dess gasform. Så varför ser de så lite av det när astrofysiker ser ut i rymden?
Först och främst finns det en anledning till att järn är så rikligt, och det är relaterat till en sak inom astrofysik som kallas järntoppen.
I vårt universum skapas andra element än väte och helium genom nukleosyntes i stjärnor. (Väte, helium och lite litium och beryllium skapades i Big Bang-nukleosyntesen.) Men elementen skapas inte i lika stora mängder. Det finns en bild som hjälper till att visa detta.
Anledningen till järntoppen har att göra med den energi som krävs för kärnfusion och kärnklyvning.
För elementen som är lättare än järn, till vänster, släpper fusion energi och fission förbrukar den. För element som är tyngre än järn, till höger, är det motsatta sant: dess fusion som förbrukar energi och fission som frigör den. Det är på grund av vad som kallas bindande energi i atomfysiken.
Det är meningsfullt om du tänker på stjärnor och atomenergi. Vi använder klyvning för att generera energi i kärnkraftverk med uran, vilket är mycket tyngre än järn. Stjärnor skapar energi med fusion med väte, som är mycket lättare än järn.
I en stjärns vanliga liv skapas element till och med järn genom nukleosyntes. Om du vill ha element som är tyngre än järn, måste du vänta på att en supernova ska hända och till den resulterande supernovanukleosyntesen. Eftersom supernovaer är sällsynta är de tyngre elementen sällsynta än de lätta elementen.
Det är möjligt att spendera en extra tid på att gå ner i kärnfysikens kaninhål, och om du gör det kommer du att möta en enorm mängd detaljer. Men av grunden ovan är järn relativt stort i vårt universum. Det är stabilt och det kräver en enorm mängd energi för att smälta järn till allt tyngre.
Varför kan vi inte se det?
Vi vet att det finns järn i fast form i kärnorna och planorna som våra egna. Och vi vet också att det är vanligt i gasform i stjärnor som solen. Men saken är att det borde vara vanligt i interstellära miljöer i dess gasform, men vi kan bara inte se det.
Eftersom vi vet att det måste vara där, innebär implikationen att det är lindat 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 rikaste elementet i solöversiktsmönstret, hittade de det inte.
Tills nu.
Nu säger ett team av kosmokemister från Arizona State University att de har löst mysteriet om det saknade järnet. De säger att järnet har gömt sig i tydlig syn, i kombination med kolmolekyler i saker som kallas pseudokarbiner. Och pseudocarbynes är svåra att se eftersom spektra är identiska med andra kolmolekyler som finns i rymden.
I forskargruppen ingår huvudförfattaren Pilarasetty Tarakeshwar, forskningsassistent vid ASU: s School of Molecular Sciences. De andra två medlemmarna är Peter Buseck och Frank Timmes, båda i ASU: s School of Earth och Space Exploration. Deras uppsats heter "On the Structure, Magnetic Properties and Infrared Spectra of Iron Pseudocarbynes in the Interstellar Medium" och publiceras i Astrophysical Journal.
"Vi föreslår en ny klass av molekyler som troligen kommer att vara utbredda i det interstellära mediet," sade Tarakeshwar i ett pressmeddelande.
Teamet fokuserade på gasformigt järn, och hur bara några få atomer av det kan gå med kolatomer. Järnet skulle kombinera med kolkedjorna, och de resulterande molekylerna skulle innehålla båda elementen.
De tittade också på nyligen bevis på kluster av järnatomer i stardust och meteoriter. Ute i det interstellära utrymmet, där det är extremt kallt, fungerar dessa järnatomer på samma sätt som "kondensationskärnor" för kol. Olika längder av kolkedjor skulle hålla sig till dem, och den processen skulle producera olika molekyler än de som produceras med gasformigt järn.
Vi kunde inte se järnet i dessa molekyler, för de maskerar sig som kolmolekyler utan järn.
I ett pressmeddelande sade Tarakeshwar: "Vi beräknade hur spektrat för dessa molekyler skulle se ut, och vi fann att de har spektroskopiska signaturer nästan identiska med kolkedjemolekyler utan järn." Han tillade att på grund av detta, "Tidigare astrofysiska observationer kunde ha förbisett dessa kol-plus-järnmolekyler."
Buckyballs och Mothballs
De har inte bara hittat det "saknade" järnet, de kan ha löst ytterligare ett 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.
Det visar sig att det är järnet som ger dessa kolkedjor deras stabilitet. "Längre kolkedjor stabiliseras genom tillsats av järnkluster", sade Buseck.
Inte bara det, utan denna upptäckt öppnar en ny väg för att bygga mer komplexa molekyler i rymden, till exempel polyaromatiska kolväten, av vilka naftalen är ett välkänt exempel, som är huvudingrediensen i malbollar.
Sade Timmes, "Vårt arbete ger ny insikt om att överbrygga den gäspande klyftan mellan molekyler som innehåller nio eller färre kolatomer och komplexa molekyler som C60 buckminsterfullerene, bättre känd som 'buckyballs.'"
Källor:
- Pressmeddelande: Interstellar järn saknas inte, det gömmer sig bara i synen
- Forskningsdokument: om strukturen, magnetiska egenskaper och infraröda spektra av järnpseudokarbyner i det interstellära mediet
