Eisen ist neben leichteren Elementen wie Wasserstoff, Sauerstoff und Kohlenstoff eines der am häufigsten vorkommenden Elemente im Universum. Im interstellaren Raum sollten reichlich Eisen in gasförmiger Form vorhanden sein. Warum sehen Astrophysiker, wenn sie in den Weltraum schauen, so wenig davon?
Erstens gibt es einen Grund, warum Eisen so reichlich vorhanden ist, und es hängt mit einer Sache in der Astrophysik zusammen, die als Eisenpeak bezeichnet wird.
In unserem Universum werden andere Elemente als Wasserstoff und Helium durch Nukleosynthese in Sternen erzeugt. (Wasserstoff, Helium und etwas Lithium und Beryllium wurden bei der Urknall-Nukleosynthese erzeugt.) Die Elemente werden jedoch nicht in gleichen Mengen erzeugt. Es gibt ein Bild, das dies zeigt.
Der Grund für den Eisenpeak liegt in der Energie, die für die Kernfusion und die Kernspaltung benötigt wird.
Für die Elemente, die leichter als Eisen sind, setzt die Fusion links Energie frei und die Spaltung verbraucht sie. Für Elemente, die schwerer als Eisen sind, ist rechts das Gegenteil der Fall: die Fusion, die Energie verbraucht, und die Spaltung, die sie freisetzt. Dies liegt an der sogenannten Bindungsenergie in der Atomphysik.
Das macht Sinn, wenn man an Sterne und Atomenergie denkt. Wir nutzen die Spaltung, um Energie in Kernkraftwerken mit Uran zu erzeugen, das viel schwerer als Eisen ist. Sterne erzeugen Energie durch Fusion mit Wasserstoff, der viel leichter als Eisen ist.
Im normalen Leben eines Sterns werden Elemente bis einschließlich Eisen durch Nukleosynthese erzeugt. Wenn Sie Elemente wünschen, die schwerer als Eisen sind, müssen Sie auf eine Supernova und die daraus resultierende Supernova-Nukleosynthese warten. Da Supernovae selten sind, sind die schwereren Elemente seltener als die leichten Elemente.
Es ist möglich, außerordentlich viel Zeit damit zu verbringen, das Kaninchenloch der Kernphysik zu durchqueren, und wenn Sie dies tun, werden Sie auf eine enorme Menge an Details stoßen. Aber im Grunde genommen ist Eisen aus den oben genannten Gründen in unserem Universum relativ häufig. Es ist stabil und benötigt eine enorme Menge an Energie, um Eisen zu etwas Schwererem zu verschmelzen.
Warum können wir es nicht sehen?
Wir wissen, dass Eisen in fester Form in den Kernen und Krusten von Planeten wie unserem vorhanden ist. Und wir wissen auch, dass es in Sternen wie der Sonne in gasförmiger Form üblich ist. Aber die Sache ist, es sollte in interstellaren Umgebungen in seiner gasförmigen Form üblich sein, aber wir können es einfach nicht sehen.
Da wir wissen, dass es dort sein muss, bedeutet dies, dass es in einen anderen Prozess, eine feste Form oder einen molekularen Zustand eingewickelt ist. Und obwohl Wissenschaftler seit Jahrzehnten suchen und es das vierthäufigste Element im Muster der Sonnenhäufigkeit sein sollte, haben sie es nicht gefunden.
Bis jetzt.
Jetzt sagt ein Team von Kosmochemikern der Arizona State University, dass sie das Rätsel des fehlenden Eisens gelöst haben. Sie sagen, dass sich das Eisen in Kombination mit Kohlenstoffmolekülen in sogenannten Pseudocarbinen in Sichtweite versteckt hat. Und Pseudocarbine sind schwierig zu sehen, da die Spektren mit anderen Kohlenstoffmolekülen identisch sind, die im Weltraum reichlich vorhanden sind.
Zum Wissenschaftlerteam gehört der Hauptautor Pilarasetty Tarakeshwar, wissenschaftlicher Mitarbeiter an der School of Molecular Sciences der ASU. Die beiden anderen Mitglieder sind Peter Buseck und Frank Timmes, beide an der ASU School of Earth and Space Exploration. Ihr Artikel trägt den Titel „Über die Struktur, die magnetischen Eigenschaften und die Infrarotspektren von Eisenpseudocarbinen im interstellaren Medium“ und ist im Astrophysical Journal veröffentlicht.
"Wir schlagen eine neue Klasse von Molekülen vor, die im interstellaren Medium wahrscheinlich weit verbreitet sind", sagte Tarakeshwar in einer Pressemitteilung.
Das Team konzentrierte sich auf gasförmiges Eisen und darauf, wie sich nur wenige Atome mit Kohlenstoffatomen verbinden könnten. Das Eisen würde sich mit den Kohlenstoffketten verbinden und die resultierenden Moleküle würden beide Elemente enthalten.
Sie untersuchten auch neuere Hinweise auf eine Ansammlung von Eisenatomen in Sternenstaub und Meteoriten. Im interstellaren Raum, wo es extrem kalt ist, wirken diese Eisenatome wie „Kondensationskerne“ für Kohlenstoff. Verschiedene Längen von Kohlenstoffketten würden an ihnen haften bleiben, und dieser Prozess würde andere Moleküle produzieren als diejenigen, die mit gasförmigem Eisen erzeugt werden.
Wir konnten das Eisen in diesen Molekülen nicht sehen, weil sie sich als Kohlenstoffmoleküle ohne Eisen tarnen.
In einer Pressemitteilung sagte Tarakeshwar: "Wir haben berechnet, wie die Spektren dieser Moleküle aussehen würden, und wir haben festgestellt, dass sie spektroskopische Signaturen haben, die nahezu identisch mit Kohlenstoffkettenmolekülen ohne Eisen sind." Aus diesem Grund fügte er hinzu: "Frühere astrophysikalische Beobachtungen hätten diese Kohlenstoff-plus-Eisen-Moleküle übersehen können."
Buckyballs und Mothballs
Sie haben nicht nur das „fehlende“ Eisen gefunden, sondern möglicherweise auch ein weiteres langlebiges Rätsel gelöst: die Fülle instabiler Kohlenstoffkettenmoleküle im Weltraum.
Kohlenstoffketten mit mehr als neun Kohlenstoffatomen sind instabil. Wenn Wissenschaftler jedoch in den Weltraum schauen, finden sie Kohlenstoffketten mit mehr als neun Kohlenstoffatomen. Es war schon immer ein Rätsel, wie die Natur diese instabilen Ketten bilden konnte.
Wie sich herausstellt, ist es das Eisen, das diesen Kohlenstoffketten ihre Stabilität verleiht. "Längere Kohlenstoffketten werden durch die Zugabe von Eisenclustern stabilisiert", sagte Buseck.
Darüber hinaus eröffnet dieser Befund einen neuen Weg für den Aufbau komplexerer Moleküle im Weltraum, wie beispielsweise polyaromatische Kohlenwasserstoffe, von denen Naphthalin ein bekanntes Beispiel ist und der Hauptbestandteil von Mottenkugeln ist.
Timmes sagte: „Unsere Arbeit liefert neue Erkenntnisse über die Überbrückung der gähnenden Lücke zwischen Molekülen mit neun oder weniger Kohlenstoffatomen und komplexen Molekülen wie C60-Buckminsterfulleren, besser bekannt als„ Buckyballs “.“
Quellen:
- Pressemitteilung: Interstellares Eisen fehlt nicht, es versteckt sich nur in Sichtweite
- Forschungsarbeit: Über Struktur, magnetische Eigenschaften und Infrarotspektren von Eisenpseudocarbinen im interstellaren Medium
