Dreidimensionale Struktur der Na2He-Verbindung
Ein internationales Team von Wissenschaftlern des Moskauer Instituts für Physik und Technologie, Skoltech, der Nanjing University und der Stony Brook University unter der Leitung von Artem Oganov hat eine stabile Verbindung von Natrium und Helium - Na 2 He - vorhergesagt und im Labor erhalten. Ähnliche Verbindungen können in den Eingeweiden der Erde und anderer Planeten unter sehr hohen Druck- und Temperaturbedingungen auftreten. Forschungsergebnisse in der Zeitschrift veröffentlicht Naturchemie Auch eine Pressemitteilung der University of Utah berichtet kurz über den Artikel. Anzumerken ist, dass die vorläufige Version der Arbeit von den Autoren in Form eines Preprints im Jahr 2013 veröffentlicht wurde.
Helium ist wie Neon das chemisch inerte Element im Periodensystem und reagiert aufgrund seiner gefüllten äußeren Elektronenhülle, seines hohen Ionisationspotentials und seiner null Elektronenaffinität kaum. Wissenschaftler versuchen seit langem, seine stabilen Verbindungen zu finden, beispielsweise mit Fluor (HHeF und (HeO)(CsF)), Chlor (HeCl) oder Lithium (LiHe), aber solche Substanzen existieren nur für eine begrenzte Zeit. Es gibt stabile Heliumverbindungen (dies sind NeHe 2 und [E-Mail geschützt] 2 O), jedoch hat Helium dort praktisch keinen Einfluss auf die elektronische Struktur und ist durch Van-der-Waals-Kräfte mit anderen Atomen assoziiert. Die Situation kann sich jedoch ändern, wenn Sie versuchen, bei hohen Drücken zu arbeiten - unter solchen Bedingungen werden Edelgase aktiver und bilden Verbindungen wie Oxide mit Magnesium (Mg-NG, wobei NG Xe, Kr oder Ar ist). Daher wurde beschlossen, mit Helium nach solchen Verbindungen zu suchen.
Die Forscher führten eine groß angelegte Suche nach möglichen stabilen Verbindungen von Helium mit verschiedenen Elementen (H, O, F, Na, K, Mg, Li, Rb, Cs usw.) mit dem USPEX (Universal Structure Predictor: Evolutionary Xtallography) durch )-Code, der 2004 von Oganov und seinen Kollegen entwickelt wurde. Es stellte sich heraus, dass nur Natrium bei für Laborexperimente verfügbaren Drücken eine stabile Verbindung mit He bildet. Dann wurde beschlossen, nach einer stabilen Verbindung des Na-He-Systems mit einer minimalen Bildungsenthalpie (d. h. den stabilsten) bei verschiedenen Drücken zu suchen. Berechnungen zeigen, dass dies eine Na 2 He-Verbindung sein wird. Die Bildungsreaktion dieser Substanz ist bei Drücken über 160 GPa möglich, während sie exotherm ist, d.h. mit Wärmeabgabe. Bei Drücken unter 50 GPa ist die Verbindung instabil.
Thermodynamische Eigenschaften des Na-He-Systems bei verschiedenen Drücken
Um die theoretischen Berechnungen zu testen, wurde entschieden, zu versuchen, die vorhergesagte Verbindung unter Verwendung von durch Laserstrahlung erhitzten Diamantambossen zu erhalten. Dünne Platten aus Natrium wurden darin geladen, und der Rest des Raums war mit gasförmigem Helium gefüllt. Während der Experimente nahmen die Wissenschaftler Raman-Spektren auf, außerdem wurde der Zustand des Systems visuell und mit der Methode der Synchrotron-Röntgenbeugung überwacht. Die erhaltenen Daten wurden dann mit den auf der Grundlage von Berechnungen vorhergesagten verglichen.
Kristallstruktur von Na2He bei 300 GPa (a,b) und Verteilung der Elektronendichte darin (c) ein neuer Verwandter von Graphen, zwei Formen von Aluminiumoxid, die bei hohen Drücken existieren, sowie erstmaliges „Verkleben“ von Schichten in einem Supraleiter, was, wie sich herausstellte, mit dem Verlust seiner supraleitenden Eigenschaften einhergeht.
Alexander Voytyuk
MOSKAU, 6. Februar - RIA Nowosti. Laut einem in der Zeitschrift Nature Chemistry veröffentlichten Artikel erklären russische und ausländische Chemiker die Möglichkeit der Existenz von zwei stabilen Verbindungen des "fremdenfeindlichsten" Elements - Helium - und bestätigten experimentell die Existenz einer von ihnen - Natriumhelid.
„Diese Studie zeigt, wie völlig unerwartete Phänomene mit modernsten theoretischen und experimentellen Methoden entdeckt werden können. Unsere Arbeit zeigt einmal mehr, wie wenig wir heute über die Auswirkungen extremer Bedingungen auf die Chemie und die Rolle solcher Phänomene für Prozesse im Inneren von Planeten wissen erklärt werden müssen“, sagt Artem Oganov, Professor an der Skoltech und der Moscow Phystech in Dolgoprudny.
Geheimnisse der Edelgase
Die Primärmaterie des Universums, die mehrere hundert Millionen Jahre nach dem Urknall entstand, bestand nur aus drei Elementen – Wasserstoff, Helium und Spuren von Lithium. Helium ist heute noch das dritthäufigste Element im Universum, aber auf der Erde ist es extrem selten, und die Heliumreserven auf dem Planeten nehmen ständig ab, da es in den Weltraum entweicht.
Eine Besonderheit von Helium und anderen Elementen der achten Gruppe des Periodensystems, die Wissenschaftler als „Edelgase“ bezeichnen, ist, dass sie – im Falle von Xenon und anderen schweren Elementen – äußerst widerspenstig sind oder prinzipiell wie Neon sind chemische Reaktionen nicht eingehen können. Es gibt nur ein paar Dutzend Verbindungen von Xenon und Krypton mit Fluor, Sauerstoff und anderen starken Oxidationsmitteln, null Verbindungen von Neon und eine Heliumverbindung, die 1925 experimentell entdeckt wurden.
Diese Verbindung, die Vereinigung von Proton und Helium, ist keine echte chemische Verbindung im strengen Sinne des Wortes - Helium ist in diesem Fall nicht an der Bildung chemischer Bindungen beteiligt, obwohl es das Verhalten von Wasserstoffatomen beraubt Elektron. Wie Chemiker zuvor vermuteten, hätten „Moleküle“ dieser Substanz im interstellaren Medium gefunden werden müssen, aber in den letzten 90 Jahren haben Astronomen sie nicht entdeckt. Ein möglicher Grund dafür ist, dass dieses Ion sehr instabil ist und bei Kontakt mit fast jedem anderen Molekül zerstört wird.
Artem Oganov und sein Team fragten sich, ob Heliumverbindungen unter exotischen Bedingungen existieren könnten, an die irdische Chemiker selten denken – bei ultrahohen Drücken und Temperaturen. Oganov und seine Kollegen haben sich lange mit solch „exotischer“ Chemie beschäftigt und sogar einen speziellen Algorithmus entwickelt, um nach Substanzen zu suchen, die unter solchen Bedingungen existieren. Mit seiner Hilfe entdeckten sie, dass exotische Orthokohlensäure, „unmögliche“ Versionen von gewöhnlichem Kochsalz und eine Reihe anderer Verbindungen, die gegen die Gesetze der klassischen Chemie „verstoßen“, in den Tiefen von Gasriesen und einigen anderen Planeten existieren können.
Unter Verwendung desselben Systems stellten USPEX, russische und ausländische Wissenschaftler fest, dass bei ultrahohen Drücken, die den atmosphärischen Druck um das 150.000-Millionen-fache überschreiten, zwei stabile Heliumverbindungen gleichzeitig vorhanden sind - Natriumhelid und Natriumoxygelid. Die erste Verbindung besteht aus zwei Natriumatomen und einem Heliumatom, die zweite aus Sauerstoff, Helium und zwei Natriumatomen.
Superhoher Druck führte dazu, dass Salz die Regeln der Chemie „brach“.Amerikanisch-russische und europäische Chemiker haben gewöhnliches Kochsalz in eine chemisch „unmögliche“ Verbindung verwandelt, deren Moleküle in exotischen Strukturen mit unterschiedlicher Anzahl von Natrium- und Chloratomen organisiert sind.Atom auf einem Diamantamboss
Beide Drücke können leicht mit modernen Diamantambossen erreicht werden, was Oganovs Kollegen unter der Anleitung eines anderen Russen, Alexander Goncharov vom Geophysical Laboratory in Washington, taten. Wie seine Experimente zeigten, bildet sich Natriumgelid bei einem Druck von etwa 1,1 Millionen Atmosphären und bleibt bis zu mindestens 10 Millionen Atmosphären stabil.
Interessanterweise ähnelt Natriumhelid in Struktur und Eigenschaften Fluorsalzen, dem „Nachbarn“ von Helium im Periodensystem. Jedes Heliumatom in diesem „Salz“ ist von acht Natriumatomen umgeben, ähnlich der Struktur von Calciumfluorid oder jedem anderen Flusssäuresalz. Die Elektronen in Na2He werden so stark von den Atomen „angezogen“, dass diese Verbindung im Gegensatz zu Natrium ein Isolator ist. Wissenschaftler nennen solche Strukturen Ionenkristalle, da Elektronen in ihnen die Rolle und den Platz von negativ geladenen Ionen einnehmen.
„Die von uns entdeckte Verbindung ist sehr ungewöhnlich: Obwohl Heliumatome nicht direkt an der chemischen Bindung beteiligt sind, verändert ihre Anwesenheit die chemischen Wechselwirkungen zwischen Natriumatomen grundlegend und trägt zur starken Lokalisierung von Valenzelektronen bei, was das resultierende Material zu einem Isolator macht.“ erklärt Xiao Dong von der Universität Nankan in Tianjin (China).
Eine andere Verbindung, Na2HeO, erwies sich im Druckbereich von 0,15 bis 1,1 Millionen Atmosphären als stabil. Die Substanz ist auch ein Ionenkristall und hat eine ähnliche Struktur wie Na2He, nur dass die Rolle der negativ geladenen Ionen darin nicht von Elektronen, sondern von Sauerstoffatomen gespielt wird.
Interessanterweise bilden alle anderen Alkalimetalle, die eine höhere Reaktivität aufweisen, mit viel geringerer Wahrscheinlichkeit Verbindungen mit Helium bei Drücken, die den atmosphärischen Druck um nicht mehr als das 10-Millionen-fache überschreiten.
Oganov und seine Kollegen führen dies darauf zurück, dass sich die Bahnen, auf denen sich Elektronen in den Atomen von Kalium, Rubidium und Cäsium bewegen, mit zunehmendem Druck merklich ändern, was bei Natrium aus noch nicht geklärten Gründen nicht der Fall ist. Wissenschaftler glauben, dass Natriumgelid und andere ähnliche Substanzen in den Kernen einiger Planeten, Weißer Zwerge und anderer Sterne zu finden sind.
Das Lithium-Helium-Molekül LiHe ist eines der zerbrechlichsten bekannten Moleküle. Seine Größe ist mehr als zehnmal so groß wie Wassermoleküle.
Bedingte Struktur von Helium- (links) und Lithiumatomen (rechts).
© Universität Birmingham
Neutrale Atome und Moleküle können bekanntlich auf drei Wegen mehr oder weniger stabile Bindungen miteinander eingehen. Erstens mit Hilfe von kovalenten Bindungen, wenn zwei Atome ein oder mehrere gemeinsame Elektronenpaare teilen. Kovalente Bindungen sind die stärksten der drei. Die charakteristische Energie ihres Bruchs beträgt normalerweise mehrere Elektronenvolt.
Deutlich schwächere kovalente Wasserstoffbrückenbindungen. Dies ist die Anziehung, die zwischen einem gebundenen Wasserstoffatom und einem elektronegativen Atom eines anderen Moleküls auftritt (normalerweise ist ein solches Atom Sauerstoff oder Stickstoff, seltener Fluor). Trotz der Tatsache, dass die Energie von Wasserstoffbrückenbindungen hundertmal geringer ist als bei kovalenten Bindungen, bestimmen sie weitgehend die physikalischen Eigenschaften von Wasser und spielen auch in der organischen Welt eine entscheidende Rolle.
Die schwächste schließlich ist die sogenannte Van-der-Waals-Wechselwirkung. Manchmal wird es auch als dispergiert bezeichnet. Es entsteht durch die Dipol-Dipol-Wechselwirkung zweier Atome oder Moleküle. Dabei können Dipole entweder Molekülen inhärent sein (z. B. hat Wasser ein Dipolmoment) oder durch Wechselwirkung induziert werden.
Ein Bedingungsdiagramm, das erklärt, wie Dispersionskräfte entstehen.© Die Universität von Akron
Die charakteristische Energie der Van-der-Waals-Bindung ist die Einheit Kelvin (das oben erwähnte Elektronenvolt entspricht etwa 10.000 Kelvin). Die schwächste der van der Waals ist die Kopplung zwischen zwei induzierten Dipolen. Wenn es zwei unpolare Atome gibt, dann hat jedes von ihnen infolge thermischer Bewegung ein bestimmtes zufällig oszillierendes Dipolmoment (die Elektronenhülle zittert sozusagen leicht relativ zum Kern). Diese miteinander wechselwirkenden Momente haben daher überwiegend solche Orientierungen, dass sich zwei Atome anzuziehen beginnen.
Das trägeste aller Atome ist Helium. Es geht mit keinem anderen Atom kovalente Bindungen ein. Gleichzeitig ist der Wert seiner Polarisierbarkeit sehr gering, das heißt, es ist schwierig, dispergierte Bindungen zu bilden. Es gibt jedoch einen wichtigen Umstand. Die Elektronen in einem Heliumatom sind so stark an den Kern gebunden, dass es ohne Angst vor Abstoßungskräften sehr nahe an andere Atome gebracht werden kann - bis zu einer Entfernung in der Größenordnung des Radius dieses Atoms. Die gestreuten Kräfte wachsen sehr schnell mit abnehmendem Abstand zwischen Atomen - umgekehrt proportional zur sechsten Potenz des Abstandes!
Daraus entstand die Idee: Bringt man zwei Heliumatome nahe aneinander, entsteht zwischen ihnen dennoch eine zerbrechliche Van-der-Waals-Bindung. Dies wurde zwar Mitte der 1990er Jahre realisiert, erforderte aber erhebliche Anstrengungen. Die Energie einer solchen Bindung beträgt nur 1 mK, und das He₂-Molekül wurde in kleinen Mengen in unterkühlten Heliumstrahlen nachgewiesen.
Gleichzeitig sind die Eigenschaften des He₂-Moleküls in vielerlei Hinsicht einzigartig und ungewöhnlich. So beträgt seine Größe beispielsweise ... etwa 5 nm! Zum Vergleich: Die Größe eines Wassermoleküls beträgt etwa 0,1 nm. Gleichzeitig fällt die minimale potentielle Energie des Heliummoleküls auf einen viel kürzeren Abstand - etwa 0,2 nm -, jedoch verbringen die Heliumatome im Molekül die meiste Zeit - etwa 80% - im Tunnelmodus, dh in die Region, in der sie sich im Rahmen der klassischen Mechanik befinden, konnte dies nicht.
So sieht ein Heliummolekül aus.Der durchschnittliche Abstand zwischen Atomen übersteigt bei weitem ihre Größe.
© Institut für Kernphysik, J. W. Goethe-Universität
Das zweitgrößte Atom nach Helium ist Lithium, daher wurde es nach dem Erhalt des Heliummoleküls selbstverständlich, die Möglichkeit zu untersuchen, die Verbindung zwischen Helium und Lithium zu fixieren. 2013 ist es Wissenschaftlern endlich gelungen. Das Lithium-Helium-LiHe-Molekül hat eine höhere Bindungsenergie als Helium-Helium - 34 ± 36 mK, und der Abstand zwischen den Atomen ist dagegen kleiner - etwa 2,9 nm. Aber selbst in diesem Molekül befinden sich die Atome die meiste Zeit in den klassisch verbotenen Zuständen unterhalb der Energiebarriere. Interessanterweise ist der Potentialtopf für das LiHe-Molekül so klein, dass es nur in einem Schwingungsenergiezustand existieren kann, der aufgrund des Spins des ⁷Li-Atoms tatsächlich eine Dublett-Spaltung ist. Seine Rotationskonstante ist so groß (ca. 40 mK), dass die Anregung des Rotationsspektrums zur Zerstörung des Moleküls führt.
Potentiale der betrachteten Moleküle (durchgezogene Kurven) und der quadrierte Modul der Wellenfunktionen von Atomen in ihnen (gestrichelte Kurven). Die Punkte sind auch markiert PM – potentielles Minimum, OTP – externer Wendepunkt für das niedrigste Energieniveau, MIS – gewichteter durchschnittlicher Abstand zwischen Atomen.© Brett Esry/Kansas State University
Bisher sind die erzielten Ergebnisse nur aus grundsätzlicher Sicht interessant. Sie sind jedoch bereits für verwandte Wissenschaftsgebiete von Interesse. Somit können Heliumcluster aus vielen Teilchen zu einem Werkzeug werden, um die Auswirkungen der Verzögerung im Casimir-Vakuum zu untersuchen. Die Untersuchung der Helium-Helium-Wechselwirkung ist auch wichtig für die Quantenchemie, die ihre Modelle an diesem System testen könnte. Und natürlich werden den Wissenschaftlern zweifellos weitere interessante und wichtige Anwendungen für solch extravagante Objekte wie He₂- und LiHe-Moleküle einfallen.
Wissenschaftlern gelang es, das Lithium-Helium-Molekül LiHe zu erhalten und zu registrieren. Es ist eines der zerbrechlichsten bekannten Moleküle. Und seine Größe ist mehr als zehnmal größer als die Größe von Wassermolekülen.
Neutrale Atome und Moleküle können bekanntlich auf drei Wegen mehr oder weniger stabile Bindungen miteinander eingehen. Erstens mit Hilfe von kovalenten Bindungen, wenn zwei Atome ein oder mehrere gemeinsame Elektronenpaare teilen. Kovalente Bindungen sind die stärksten der drei. Die charakteristische Energie ihres Bruchs beträgt normalerweise mehrere Elektronenvolt.
Deutlich schwächere kovalente Wasserstoffbrückenbindungen. Dies ist die Anziehung, die zwischen einem gebundenen Wasserstoffatom und einem elektronegativen Atom eines anderen Moleküls auftritt (normalerweise ist ein solches Atom Sauerstoff oder Stickstoff, seltener Fluor). Trotz der Tatsache, dass die Energie von Wasserstoffbrückenbindungen hundertmal geringer ist als bei kovalenten Bindungen, bestimmen sie weitgehend die physikalischen Eigenschaften von Wasser und spielen auch in der organischen Welt eine entscheidende Rolle.
Die schwächste schließlich ist die sogenannte Van-der-Waals-Wechselwirkung. Manchmal wird es auch als dispergiert bezeichnet. Es entsteht durch die Dipol-Dipol-Wechselwirkung zweier Atome oder Moleküle. Dabei können Dipole entweder Molekülen inhärent sein (z. B. hat Wasser ein Dipolmoment) oder durch Wechselwirkung induziert werden.
Die charakteristische Energie der Van-der-Waals-Bindung ist die Einheit Kelvin (das oben erwähnte Elektronenvolt entspricht etwa 10.000 Kelvin). Die schwächste der van der Waals ist die Kopplung zwischen zwei induzierten Dipolen. Wenn es zwei unpolare Atome gibt, dann hat jedes von ihnen infolge thermischer Bewegung ein bestimmtes zufällig oszillierendes Dipolmoment (die Elektronenhülle zittert sozusagen leicht relativ zum Kern). Diese miteinander wechselwirkenden Momente haben daher überwiegend solche Orientierungen, dass sich zwei Atome anzuziehen beginnen.
Das trägeste aller Atome ist Helium. Es geht mit keinem anderen Atom kovalente Bindungen ein. Gleichzeitig ist der Wert seiner Polarisierbarkeit sehr gering, das heißt, es ist schwierig, dispergierte Bindungen zu bilden. Es gibt jedoch einen wichtigen Umstand. Die Elektronen in einem Heliumatom sind so stark an den Kern gebunden, dass es ohne Angst vor Abstoßungskräften sehr nahe an andere Atome gebracht werden kann - bis zu einer Entfernung in der Größenordnung des Radius dieses Atoms. Die gestreuten Kräfte wachsen sehr schnell mit abnehmendem Abstand zwischen Atomen - umgekehrt proportional zur sechsten Potenz des Abstandes!
Daraus entstand die Idee: Bringt man zwei Heliumatome nahe aneinander, entsteht zwischen ihnen dennoch eine zerbrechliche Van-der-Waals-Bindung. Dies wurde zwar Mitte der 1990er Jahre realisiert, erforderte aber erhebliche Anstrengungen. Die Energie einer solchen Bindung beträgt nur 1 mK, und das He2-Molekül wurde in kleinen Mengen in unterkühlten Heliumstrahlen nachgewiesen.
Gleichzeitig sind die Eigenschaften des He2-Moleküls in vielerlei Hinsicht einzigartig und ungewöhnlich. So beträgt seine Größe beispielsweise ... etwa 5 nm! Zum Vergleich: Die Größe eines Wassermoleküls beträgt etwa 0,1 nm. Gleichzeitig fällt die minimale potentielle Energie des Heliummoleküls auf einen viel kürzeren Abstand - etwa 0,2 nm -, jedoch verbringen die Heliumatome im Molekül die meiste Zeit - etwa 80% - im Tunnelmodus, dh in die Region, in der sie sich im Rahmen der klassischen Mechanik befinden, konnte dies nicht.
Das zweitgrößte Atom nach Helium ist Lithium, daher wurde es nach dem Erhalt des Heliummoleküls selbstverständlich, die Möglichkeit zu untersuchen, die Verbindung zwischen Helium und Lithium zu fixieren. Und das ist Wissenschaftlern nun endlich gelungen. Das Lithium-Helium-LiHe-Molekül hat eine höhere Bindungsenergie als Helium-Helium - 34 ± 36 mK, und der Abstand zwischen den Atomen ist dagegen kleiner - etwa 2,9 nm. Aber selbst in diesem Molekül befinden sich die Atome die meiste Zeit in den klassisch verbotenen Zuständen unterhalb der Energiebarriere. Interessanterweise ist der Potentialtopf für das LiHe-Molekül so klein, dass es nur in einem Schwingungsenergiezustand existieren kann, der aufgrund des Spins des 7Li-Atoms tatsächlich eine Dublett-Spaltung ist. Seine Rotationskonstante ist so groß (ca. 40 mK), dass die Anregung des Rotationsspektrums zur Zerstörung des Moleküls führt.
Brett Esry/Kansas State University
Bisher sind die erzielten Ergebnisse nur aus grundsätzlicher Sicht interessant. Sie sind jedoch bereits für verwandte Wissenschaftsgebiete von Interesse. Somit können Heliumcluster aus vielen Teilchen zu einem Werkzeug werden, um die Auswirkungen der Verzögerung im Casimir-Vakuum zu untersuchen. Die Untersuchung der Helium-Helium-Wechselwirkung ist auch wichtig für die Quantenchemie, die ihre Modelle an diesem System testen könnte. Und natürlich gibt es keinen Zweifel, dass Wissenschaftler weitere interessante und wichtige Anwendungen für so extravagante Objekte wie He2- und LiHe-Moleküle finden werden.
Vielleicht haben Sie schon einmal den Satz „Du bist aus Sternenstaub gemacht“ gehört – und er ist wahr. Viele der Partikel, aus denen Ihr Körper und die Welt um Sie herum bestehen, wurden vor Milliarden von Jahren in Sternen gebildet. Aber es gibt einige Materialien, die ganz am Anfang entstanden sind, nach der Geburt des Universums.
Einige Astronomen glauben, dass sie nur wenige Minuten nach dem Urknall erschienen. Die am häufigsten vorkommenden Elemente im Universum sind Wasserstoff und Helium, mit einer sehr geringen Menge des chemischen Lithiums.
Astronomen können mit wenig Genauigkeit bestimmen, wie viel Lithium im frühen Universum vorhanden war. Dazu müssen Sie die ältesten Sterne erforschen. Aber die erhaltenen Ergebnisse stimmen nicht überein - in alten Sternen stellte sich heraus, dass 3-mal weniger Lithium gefunden wurde als erwartet! Der Grund für dieses Rätsel ist noch unbekannt.
Lasst uns genauer hinschauen...
Streng genommen sollte beim jetzigen Stand unserer Beobachtungen kein Irrtum vorliegen: Es gibt sehr wenig Lithium. Die Situation deutet eindeutig auf eine neue Physik hin, einen uns unbekannten Prozess, der unmittelbar nach dem Urknall stattfand.
Die jüngste Studie zu diesem Thema hat die Regionen berührt, die sich seit dem Urknall am wenigsten verändert haben – die Atmosphären alter Sterne an der Peripherie der Milchstraße. Da sie vom Kern isoliert sind, wo Lithium produziert werden kann, sollte die Wahrscheinlichkeit einer späten Kontamination, die die Ergebnisse beeinflusst, äußerst gering sein. Ihre Atmosphäre enthält nur etwa ein Drittel des von den Simulationen für Lithium-7 vorhergesagten Gehalts. Ursachen? Eine mögliche Erklärung ist, dass er ertrunken ist. Lithium aus der Atmosphäre der Sterne begann einfach in die Materie der Sterne einzusinken und erreichte allmählich ihre Tiefe. Daher ist es in ihrer Atmosphäre nicht sichtbar.
Christopher Hawk von der University of Notre Dame (Indiana, USA) und Kollegen verpflichteten sich, die Ergebnisse anhand von Daten aus der Kleinen Magellanschen Wolke, einer Satellitengalaxie der Milchstraße, zu verifizieren. Und um die Daten über den Effekt des „einstürzenden Lithiums“ und andere Einflüsse lokaler stellarer Prozesse loszuwerden, analysierten die Forscher den Inhalt des interstellaren Gases in dieser Zwerggalaxie, was darauf hindeutet, dass er stolz auf sein Lithium sein sollte: er einfach hat hier nichts zu ertrinken.
Unter Verwendung von Beobachtungen des Very Large Telescope der Europäischen Südsternwarte fanden Astronomen genauso viel Lithium, wie das Urknallmodell vorhergesagt hatte, wie in der Zeitschrift Nature berichtet wurde. Aber das hat leider nicht viel geholfen, um das Problem zu lösen. Tatsache ist, dass Lithium im Laufe natürlicher Prozesse ständig im Universum gebildet wird und durch Supernova-Explosionen wie alle anderen in der Tiefe produzierten Elemente gleichmäßig in der gesamten Metagalaxie verteilt wird. Neue Ergebnisse, so Christopher Hawke, verschärfen das Lithium-Rätsel nur noch: „Wir können nur dann über eine Lösung dieses Problems sprechen, wenn sich die verfügbare Menge an Lithium seit dem Urknall nicht verändert hat.“ Und das nur im Maßstab der Kleinen Magellanschen Wolke!
Am wichtigsten ist, dass es sehr schwer vorstellbar ist, dass für etwa 12 bis 13 Milliarden Jahre Kernfusion, die die sehr schweren Elemente erzeugte, die das Leben auf der Erde ermöglichen, Lithium aus irgendeinem Grund nicht produziert wurde. Zumindest erlaubt uns unser derzeitiges Verständnis der thermonuklearen Nukleosynthese nicht, eine solche Hypothese aufzustellen.
Schlimmer noch, neue Arbeiten von Miguel Pato von der Technischen Universität München (Deutschland) und Fabio Iocco von der Universität Stockholm (Schweden) haben gezeigt, dass nicht nur supermassereiche Schwarze Löcher in den Kernen von Galaxien, sondern auch die häufigsten (und mehr Zahlreiche) Schwarze Löcher stellaren Ursprungs müssen in ihren Akkretionsscheiben Lithium erzeugen, und zwar ziemlich intensiv.
Nun stellt sich heraus, dass fast jeder Mikroquasar (einfach das BH-System – eine Akkretionsscheibe) Lithium erzeugen muss. Aber theoretisch müsste es viel mehr davon geben als SMBH, bemerkt Miguel Pato.
Kurz gesagt, es gibt noch keine Klarheit in dieser Frage. Christopher Hawke zum Beispiel schlägt vor, dass unmittelbar nach dem Urknall aus physikalischer Sicht einige exotische Reaktionen im Universum stattfinden könnten, an denen Teilchen der Dunklen Materie beteiligt waren und die die Bildung von Lithium unterdrückten. Dies könnte erklären, warum in der Kleinen Magellanschen Wolke mehr Lithium vorhanden ist als in unserer Galaxie: Zwerggalaxien, zu denen auch das MMO gehört, sollten im frühen Universum weniger aktiv gewesen sein, um dunkle Materie anzuziehen. Dies bedeutet, dass diese hypothetischen Reaktionen weniger Einfluss auf die Lithiumkonzentration in ihnen hatten. Mr. Hawk beabsichtigt, diese Idee mit Hilfe einer eingehenderen Untersuchung der Kleinen Magellanschen Wolke zu testen ...
Bisher konnten wir nur in den nächsten Sternen unserer Galaxis nach Lithium suchen. Und so konnte eine Gruppe von Astronomen den Lithiumgehalt in einem Sternhaufen außerhalb unserer Galaxis bestimmen.
Der Sternhaufen Messier 54 hat ein Geheimnis – er gehört nicht zur Milchstraße und ist Teil einer Satellitengalaxie – einer elliptischen Zwerggalaxie im Schützen. Diese Position des Clusters ermöglichte es den Wissenschaftlern zu überprüfen, ob die Lithiumhäufigkeit in Sternen außerhalb der Milchstraße ebenfalls gering ist.
In der Nähe der Milchstraße gibt es mehr als 150 Kugelsternhaufen, die aus Hunderttausenden von alten Sternen bestehen. Ein solcher Haufen wurde zusammen mit anderen im Sternbild Schütze Ende des 18. Jahrhunderts vom französischen Kometenjäger Charles Messier entdeckt und trägt seinen Namen Messier 54.
Seit mehr als zwei Jahrhunderten glauben Wissenschaftler fälschlicherweise, dass M54 derselbe Haufen wie alle anderen in der Milchstraße ist, aber 1994 wurde entdeckt, dass dieser Sternhaufen zu einer anderen Galaxie gehört – der elliptischen Zwerggalaxie im Schützen. Es wurde auch festgestellt, dass das Objekt 90.000 Lichtjahre von der Erde entfernt ist, mehr als das Dreifache der Entfernung zwischen der Sonne und dem Zentrum der Galaxie.
Derzeit überwachen Astronomen M54 mit dem VLT Survey und versuchen, eine der rätselhaftesten Fragen der modernen Astronomie bezüglich des Vorhandenseins von Lithium in Sternen zu lösen.
Auf diesem Bild sieht man nicht nur den Haufen selbst, sondern auch einen sehr dichten Vordergrund, bestehend aus den Sternen der Milchstraße. Foto von ESO.
Bisher konnten Astronomen nur die Häufigkeit von Lithium in den Sternen der Milchstraße bestimmen. Ein Forschungsteam unter der Leitung von Alessio Mucciarelli von der Universität Bologna hat nun jedoch den VLT Survey verwendet, um die Häufigkeit von Lithium im extragalaktischen Sternhaufen M54 zu messen. Die Studie zeigte, dass sich die Menge an Lithium im alten Stern M54 nicht von den Sternen der Milchstraße unterscheidet. Wo also Lithium verschwindet, hat die Milchstraße absolut nichts damit zu tun.
metallisches Lithium
Lithium ist das leichteste Metall, fünfmal leichter als Aluminium. Lithium erhielt seinen Namen, weil es in „Steinen“ (griechisch λίθος – Stein) gefunden wurde. Der Name wurde von Berzelius vorgeschlagen. Es ist eines von drei Elementen (neben Wasserstoff und Helium), die während der Ära der ursprünglichen Nukleosynthese nach dem Urknall, vor der Geburt der Sterne, entstanden sind. Seitdem ist seine Konzentration im Universum praktisch unverändert geblieben.
Lithium kann zu Recht als das wichtigste Element der modernen Zivilisation und Technologieentwicklung bezeichnet werden. Im vergangenen und vorletzten Jahrhundert waren die Indikatoren der Produktion der wichtigsten Säuren und Metalle, Wasser und Energieträger die Kriterien für die Entwicklung der industriellen und wirtschaftlichen Macht der Staaten. Im 21. Jahrhundert hat sich Lithium fest und dauerhaft in die Liste solcher Indikatoren eingetragen. Lithium ist heute in fortgeschrittenen Industrieländern von außerordentlicher wirtschaftlicher und strategischer Bedeutung.
Durch die Untersuchung des neuen Sterns Nova Delphini 2013 (V339 Del) konnten Astronomen die chemische Vorstufe von Lithium nachweisen und damit erstmals direkte Beobachtungen der bisher nur vermuteten Entstehungsprozesse des dritten Elements im Periodensystem machen theoretisch.
„Bis jetzt hatten Wissenschaftler keine direkten Beweise für die Bildung von Lithium in neuen Sternen, aber nach Durchführung unserer Studie können wir sagen, dass solche Prozesse stattfinden“, sagte der Hauptautor der neuen wissenschaftlichen Arbeit, Akito Taitsu vom National Observatory von Japan.
Explosionen neuer Sterne treten auf, wenn in einem engen Doppelsternsystem Materie von einem seiner Bestandteile auf die Oberfläche eines Begleitsterns - eines Weißen Zwergs - fließt. Eine unkontrollierte thermonukleare Reaktion verursacht einen starken Anstieg der Leuchtkraft eines Sterns, was wiederum zur Bildung von Elementen führt, die schwerer sind als Wasserstoff und Helium, die in erheblichen Mengen in den meisten Sternen des Universums vorhanden sind.
Eines der bei einer solchen Explosion entstehenden chemischen Elemente ist das weit verbreitete Lithium-Isotop Li-7. Während die meisten schweren chemischen Elemente in den Kernen von Sternen und bei Supernova-Explosionen gebildet werden, ist Li-7 ein zu zerbrechliches Element, um den hohen Temperaturen standzuhalten, die in den meisten Sternkernen herrschen.
Ein Teil des im Universum vorhandenen Lithiums ist durch den Urknall entstanden. Darüber hinaus könnten durch die Wechselwirkung kosmischer Strahlung mit Sternen und interstellarer Materie gewisse Mengen an Lithium gebildet werden. Diese Prozesse erklären jedoch nicht die übermäßigen Mengen an Lithium, die heute im Universum vorhanden sind.
In den 1950ern Wissenschaftler haben vorgeschlagen, dass Lithium im Universum aus dem Beryllium-Isotop Be-7 gebildet werden kann, das nahe der Oberfläche von Sternen gebildet wird und in den Weltraum übertragen werden kann, wo die Wirkung hoher Temperaturen auf das Material verringert wird, und das neu gebildetes Lithium bleibt in einem stabilen Zustand. Bisher war die Beobachtung von Lithium, das nahe der Oberfläche eines Sterns gebildet wurde, von der Erde aus jedoch eine ziemlich schwierige Aufgabe.
Taitsu und sein Team nutzten für ihre Beobachtungen das Subaru-Teleskop auf Hawaii. Während des Beobachtungszeitraums zeichnete das Team deutlich auf, wie sich das Nuklid Be-7, das eine Halbwertszeit von 53 Tagen hat, in Li-7 verwandelte.
