IJzer is een van de meest voorkomende elementen in het heelal, samen met lichtere elementen zoals waterstof, zuurstof en koolstof. In de interstellaire ruimte zou er een overvloedige hoeveelheid ijzer in gasvorm moeten zijn. Dus waarom zien astrofysici, als ze de ruimte in kijken, er zo weinig van?
Allereerst is er een reden waarom ijzer zo overvloedig is en het heeft te maken met iets in de astrofysica dat de ijzeren piek wordt genoemd.
In ons heelal worden andere elementen dan waterstof en helium gemaakt door nucleosynthese in sterren. (Waterstof, helium en sommige lithium en beryllium zijn gemaakt in de Big Bang-nucleosynthese.) Maar de elementen worden niet in gelijke hoeveelheden gemaakt. Er is een afbeelding die dit helpt laten zien.
De reden voor de ijzeren piek heeft te maken met de energie die nodig is voor kernfusie en kernsplijting.
Voor de elementen die lichter zijn dan ijzer, geeft fusie aan de linkerkant energie vrij en splijt deze op. Voor elementen die zwaarder zijn dan ijzer, aan de rechterkant, is het omgekeerde waar: de versmelting die energie verbruikt en de splijting die deze loslaat. Het komt door wat in de atoomfysica bindende energie wordt genoemd.
Dat is logisch als je denkt aan sterren en atoomenergie. We gebruiken splijting om energie op te wekken in kerncentrales met uranium, dat veel zwaarder is dan ijzer. Sterren creëren energie door fusie met waterstof, dat veel lichter is dan ijzer.
In het gewone leven van een ster worden elementen tot en met ijzer gecreëerd door nucleosynthese. Als je elementen wilt die zwaarder zijn dan ijzer, moet je wachten tot er een supernova plaatsvindt en tot de resulterende supernova-nucleosynthese. Omdat supernovae zeldzaam zijn, zijn de zwaardere elementen zeldzamer dan de lichte elementen.
Het is mogelijk om buitengewoon veel tijd door te brengen in het konijnenhol van de kernfysica, en als je dat doet, zul je een enorme hoeveelheid details tegenkomen. Maar eigenlijk is ijzer om de bovenstaande redenen relatief overvloedig aanwezig in ons universum. Het is stabiel en het heeft een enorme hoeveelheid energie nodig om ijzer in iets zwaarder te smelten.
Waarom kunnen we het niet zien?
We weten dat ijzer in vaste vorm voorkomt in de kernen en korsten van planeten zoals die van ons. En we weten ook dat het in gasvorm veel voorkomt in sterren zoals de zon. Maar het punt is dat het in gasvorm veel voorkomt in interstellaire omgevingen, maar we kunnen het gewoon niet zien.
Omdat we weten dat het daar moet zijn, is de implicatie dat het verpakt is in een ander proces of vaste vorm of moleculaire toestand. En hoewel wetenschappers al decennia op zoek zijn, en hoewel het het op drie na meest voorkomende element in het patroon van zonne-overvloed zou moeten zijn, hebben ze het niet gevonden.
Tot nu.
Nu zegt een team van cosmochemici van de Arizona State University dat ze het mysterie van het ontbrekende ijzer hebben opgelost. Ze zeggen dat het ijzer zich in het volle zicht heeft verstopt, in combinatie met koolstofmoleculen in dingen die pseudocarbynes worden genoemd. En pseudocarbynes zijn lastig te zien omdat de spectra identiek zijn aan andere koolstofmoleculen die in de ruimte overvloedig aanwezig zijn.
Het team van wetenschappers bestaat uit hoofdauteur Pilarasetty Tarakeshwar, universitair hoofddocent aan ASU's School of Molecular Sciences. De andere twee leden zijn Peter Buseck en Frank Timmes, beiden van ASU's School of Earth and Space Exploration. Hun artikel is getiteld "On the Structure, Magnetic Properties, and Infrared Spectra of Iron Pseudocarbynes in the Interstellar Medium" en wordt gepubliceerd in het Astrophysical Journal.
"We stellen een nieuwe klasse van moleculen voor die waarschijnlijk wijdverbreid zullen zijn in het interstellaire medium", zei Tarakeshwar in een persbericht.
Het team concentreerde zich op gasvormig ijzer en hoe slechts een paar atomen ervan samen zouden kunnen komen met koolstofatomen. Het ijzer zou combineren met de koolstofketens en de resulterende moleculen zouden beide elementen bevatten.
Ze keken ook naar recent bewijs van een cluster van ijzeratomen in sterrenstof en meteorieten. In de interstellaire ruimte, waar het extreem koud is, werken deze ijzeratomen een beetje als "condensatiekernen" voor koolstof. Gevarieerde lengtes van koolstofketens zouden eraan blijven plakken, en dat proces zou andere moleculen opleveren dan die geproduceerd met gasvormig ijzer.
We konden het ijzer in deze moleculen niet zien, omdat ze zich voordoen als koolstofmoleculen zonder ijzer.
In een persbericht zei Tarakeshwar: "We hebben berekend hoe de spectra van deze moleculen eruit zouden zien, en we ontdekten dat ze spectroscopische signaturen hebben die vrijwel identiek zijn aan koolstofketenmoleculen zonder ijzer." Hij voegde eraan toe dat 'eerdere astrofysische waarnemingen deze koolstof-plus-ijzer-moleculen over het hoofd hadden kunnen zien'.
Buckyballs en mottenballen
Ze hebben niet alleen het 'ontbrekende' ijzer gevonden, ze hebben mogelijk ook een ander langlevende mysterie opgelost: de overvloed aan onstabiele koolstofketenmoleculen in de ruimte.
Koolstofketens met meer dan negen koolstofatomen zijn onstabiel. Maar wanneer wetenschappers de ruimte in kijken, vinden ze koolstofketens met meer dan negen koolstofatomen. Het is altijd een mysterie geweest hoe de natuur deze onstabiele ketens heeft kunnen vormen.
Het blijkt dat het ijzer het koolstofgehalte van deze koolstofketens hun stabiliteit geeft. "Langere koolstofketens worden gestabiliseerd door toevoeging van ijzerclusters", zegt Buseck.
Niet alleen dat, maar deze bevinding opent een nieuwe weg voor het bouwen van complexere moleculen in de ruimte, zoals polyaromatische koolwaterstoffen, waarvan naftaleen een bekend voorbeeld is, het belangrijkste ingrediënt in mottenballen.
Timmes zei: "Ons werk biedt nieuwe inzichten in het overbruggen van de gapende kloof tussen moleculen met negen of minder koolstofatomen en complexe moleculen zoals C60 buckminsterfullerene, beter bekend als 'buckyballs'."
Bronnen:
- Persbericht: Interstellair ijzer ontbreekt niet, het verbergt zich gewoon in het volle zicht
- Onderzoekspaper: over de structuur, magnetische eigenschappen en infraroodspectra van ijzer-pseudocarbynes in het interstellaire medium
