Le fer est l'un des éléments les plus abondants de l'Univers, avec des éléments plus légers comme l'hydrogène, l'oxygène et le carbone. Dans l'espace interstellaire, il devrait y avoir d'abondantes quantités de fer sous sa forme gazeuse. Alors pourquoi, quand l'astrophysicien regarde dans l'espace, en voit-il si peu?
Tout d'abord, il y a une raison pour laquelle le fer est si abondant, et il est lié à une chose en astrophysique appelée le pic de fer.
Dans notre univers, des éléments autres que l'hydrogène et l'hélium sont créés par nucléosynthèse dans les étoiles. (L'hydrogène, l'hélium et du lithium et du béryllium ont été créés lors de la nucléosynthèse du Big Bang.) Mais les éléments ne sont pas créés en quantités égales. Il y a une image qui permet de le montrer.
La raison du pic de fer est liée à l'énergie nécessaire à la fusion nucléaire et à la fission nucléaire.
Pour les éléments plus légers que le fer, à sa gauche, la fusion libère de l'énergie et la fission la consomme. Pour les éléments plus lourds que le fer, à sa droite, l'inverse est vrai: sa fusion qui consomme de l'énergie, et la fission qui la libère. C'est à cause de ce que l'on appelle l'énergie de liaison en physique atomique.
Cela a du sens si vous pensez aux étoiles et à l'énergie atomique. Nous utilisons la fission pour produire de l'énergie dans les centrales nucléaires avec de l'uranium, qui est beaucoup plus lourd que le fer. Les étoiles créent de l'énergie par fusion, en utilisant l'hydrogène, qui est beaucoup plus léger que le fer.
Dans la vie ordinaire d'une étoile, des éléments allant jusqu'au fer inclus sont créés par nucléosynthèse. Si vous voulez des éléments plus lourds que le fer, vous devez attendre qu'une supernova se produise et que la nucléosynthèse de la supernova en résulte. Les supernovae étant rares, les éléments plus lourds sont plus rares que les éléments légers.
Il est possible de passer un temps extraordinaire à descendre le terrier du lapin de physique nucléaire, et si vous le faites, vous rencontrerez une énorme quantité de détails. Mais fondamentalement, pour les raisons ci-dessus, le fer est relativement abondant dans notre univers. Il est stable et nécessite une énorme quantité d'énergie pour fusionner le fer en quelque chose de plus lourd.
Pourquoi ne pouvons-nous pas le voir?
Nous savons que le fer sous forme solide existe dans les noyaux et les croûtes de planètes comme la nôtre. Et nous savons aussi que c'est commun sous forme gazeuse dans des étoiles comme le Soleil. Mais le fait est que cela devrait être courant dans les environnements interstellaires sous sa forme gazeuse, mais nous ne pouvons tout simplement pas le voir.
Puisque nous savons qu'il doit être là, cela implique qu'il est enveloppé dans un autre processus ou forme solide ou état moléculaire. Et même si les scientifiques recherchent depuis des décennies, et même s'il devrait être le quatrième élément le plus abondant dans le modèle d'abondance solaire, ils ne l'ont pas trouvé.
Jusqu'à maintenant.
Maintenant, une équipe de cosmochimistes de l'Arizona State University a déclaré avoir résolu le mystère du fer manquant. Ils disent que le fer s'est caché à la vue, en combinaison avec des molécules de carbone dans des choses appelées pseudocarbynes. Et les pseudocarbynes sont difficiles à voir car les spectres sont identiques à d'autres molécules de carbone qui sont abondantes dans l'espace.
L'équipe de scientifiques comprend l'auteur principal Pilarasetty Tarakeshwar, professeur agrégé de recherche à l'École des sciences moléculaires de l'ASU. Les deux autres membres sont Peter Buseck et Frank Timmes, tous deux à l’école ASU de la Terre et de l’exploration spatiale. Leur article s'intitule «Sur la structure, les propriétés magnétiques et les spectres infrarouges des pseudocarbynes de fer dans le milieu interstellaire» et est publié dans le Astrophysical Journal.
"Nous proposons une nouvelle classe de molécules susceptibles d'être répandues dans le milieu interstellaire", a déclaré Tarakeshwar dans un communiqué de presse.
L'équipe s'est concentrée sur le fer gazeux et sur la façon dont seuls quelques atomes pourraient se joindre aux atomes de carbone. Le fer se combinerait avec les chaînes de carbone et les molécules résultantes contiendraient les deux éléments.
Ils ont également examiné des preuves récentes d'un amas d'atomes de fer dans les poussières d'étoiles et les météorites. Dans l'espace interstellaire, où il fait extrêmement froid, ces atomes de fer agissent un peu comme des «noyaux de condensation» pour le carbone. Des longueurs variées de chaînes de carbone s'y accrocheraient et ce processus produirait des molécules différentes de celles produites avec du fer gazeux.
Nous ne pouvions pas voir le fer dans ces molécules, car elles se déguisent en molécules de carbone sans fer.
Dans un communiqué de presse, Tarakeshwar a déclaré: "Nous avons calculé à quoi ressembleraient les spectres de ces molécules, et nous avons constaté qu'elles ont des signatures spectroscopiques presque identiques aux molécules de la chaîne carbonée sans fer". Il a ajouté qu'à cause de cela, "les observations astrophysiques précédentes auraient pu ignorer ces molécules de carbone plus fer".
Buckyballs et Mothballs
Non seulement ils ont trouvé le fer «manquant», mais ils ont peut-être résolu un autre mystère de longue durée: l'abondance de molécules de chaîne de carbone instables dans l'espace.
Les chaînes carbonées qui ont plus de neuf atomes de carbone sont instables. Mais lorsque les scientifiques regardent dans l'espace, ils trouvent des chaînes de carbone avec plus de neuf atomes de carbone. Cela a toujours été un mystère de voir comment la nature a pu former ces chaînes instables.
En fait, c'est le fer qui donne à ces chaînes de carbone leur stabilité. "Les chaînes de carbone plus longues sont stabilisées par l'ajout d'amas de fer", a déclaré Buseck.
Non seulement cela, mais cette découverte ouvre une nouvelle voie pour la construction de molécules plus complexes dans l'espace, telles que les hydrocarbures polyaromatiques, dont le naphtalène est un exemple familier, étant le principal ingrédient des boules de naphtaline.
Selon Timmes, «Notre travail fournit de nouvelles perspectives pour combler le fossé béant entre les molécules contenant neuf atomes de carbone ou moins et les molécules complexes telles que le buckminsterfullerène C60, mieux connu sous le nom de« buckyballs ».»
Sources:
- Communiqué de presse: Le fer interstellaire ne manque pas, il se cache juste à la vue
- Document de recherche: sur la structure, les propriétés magnétiques et les spectres infrarouges des pseudocarbynes de fer dans le milieu interstellaire
