Измерения ускорительной масс-спектрометрии (AMS) этой железомарганцевой коры из Тихого океана выявили межзвездное железо-60, марганец-53 и плутоний-244. Включены атомы возрастом более 20 миллионов лет. Монета в виде шкалы имеет диаметр 3,2 см. 1 кредит
Когда массивные звезды или другие звездные объекты взрываются в окрестностях Земли, выброшенные обломки также могут достичь нашей Солнечной системы. Следы таких событий обнаруживаются на Земле или Луне и могут быть обнаружены с помощью ускорительной масс-спектрометрии, или сокращенно AMS.
Обзор этого интересного исследования представлен в журнале Annual Review of Nuclear and Particle Science профессором Антоном Валлнером из Центра Гельмгольца Дрезден-Россендорф (HZDR), который вскоре планирует решительно продвигать эту многообещающую отрасль исследований с помощью новых, сверхчувствительная установка АМС ХОМЯК.
В своей статье физик HZDR Антон Валлнер и его коллега профессор Брайан Д. Филдс из Университета Иллинойса в Урбане, США, предоставляют обзор околоземных космических взрывов, уделяя особое внимание событиям, произошедшим 3 миллиона и, соответственно, 7 миллионов лет назад. миллион лет назад.
«К счастью, эти события были еще достаточно далеко, поэтому они, вероятно, не оказали существенного влияния на климат Земли и не оказали серьезного воздействия на биосферу. Однако все становится действительно некомфортно, когда космические взрывы происходят на расстоянии 30 световых лет или меньше». «Поясняет Валлнер. В пересчете на астрофизическую единицу парсек это соответствует менее восьми-десяти парсекам.
Как только массивные звезды сжигают все свое топливо, их ядра коллапсируют в сверхплотную нейтронную звезду или черную дыру, в то же время горячий газ выбрасывается наружу с высокой скоростью. Большая часть газа и пыли, тонко рассеянных между звездами, уносится расширяющейся ударной волной.
Подобно гигантскому воздушному шару с выпуклостями и вмятинами, эта оболочка также сметает любой материал, уже присутствующий в космосе. Спустя многие тысячи лет остатки сверхновой расширились до диаметра в несколько 10 парсеков, распространяясь все медленнее, пока движение окончательно не прекратилось.
Соседний взрыв может серьезно разрушить биосферу Земли и вызвать массовое вымирание, подобное удару астероида 66 миллионов лет назад. Жертвами этого события стали динозавры и многие другие виды животных. «Если принять во внимание период времени с момента образования Солнечной системы, который охватывает миллиарды лет, нельзя исключать очень близкие космические взрывы», — подчеркивает Валлнер.
Тем не менее, сверхновые возникают только у очень тяжелых звезд, масса которых более чем в восемь-десять раз превышает массу нашего Солнца. Такие звезды редки. Одним из ближайших кандидатов такого размера является красный сверхгигант Бетельгейзе в созвездии Ориона, расположенный на безопасном расстоянии около 150 парсеков от нашей Солнечной системы.
Производство межзвездных изотопов
Многие новые атомы рождаются во время космических взрывов или незадолго до и во время сверхновой, среди них также ряд радиоактивных атомов. Валлнера особенно интересует радиоактивный изотоп железа с атомной массой 60. Около половины этих изотопов, сокращенно называемых железом-60, через 2,6 миллиона лет превратились в стабильный изотоп никеля. Следовательно, все железо-60, которое присутствовало при формировании Земли около 4500 миллионов лет назад, уже давно исчезло.
«Железо-60 чрезвычайно редко встречается на Земле, потому что естественным путем оно не производится в сколько-нибудь значительных количествах. Однако оно производится в больших количествах непосредственно перед взрывом сверхновой. пол или материал с поверхности Луны, вероятно, он возник в результате взрыва сверхновой или другого подобного процесса в космосе, который произошел вблизи Земли всего несколько миллионов лет назад», — говорит Валлнер.
То же самое относится и к изотопу плутония с атомной массой 244. Однако этот плутоний-244, скорее всего, образуется в результате столкновения нейтронных звезд, а не сверхновых. Таким образом, он является индикатором нуклеосинтеза тяжелых элементов. Спустя 80 миллионов лет около половины изотопа плутония-244 превратилось в другие элементы. Поэтому медленно распадающийся плутоний-244 является, помимо железа-60, еще одним индикатором галактических событий и производства новых элементов за последние миллионы лет.
«Как часто, где и при каких условиях производятся эти тяжелые элементы, в настоящее время является предметом интенсивных научных дискуссий. Плутоний-244 также требует взрывных событий и, согласно теории, производится аналогично элементам золоту или платине, которые всегда встречались на Земле естественным образом, но сегодня состоят из стабильных атомов», — объясняет Валлнер.
Частицы пыли как космические грузовые суда
Но как эти изотопы вообще попадают на Землю? Атомы железа-60, выброшенные сверхновой, любят собираться в частицы пыли. То же самое касается и изотопов плутония-244, которые, возможно, были созданы в результате других событий и унесены расширяющейся оболочкой сверхновой.
После космических взрывов на расстоянии более десяти, но менее 150 парсеков, согласно теории, солнечный ветер и магнитное поле гелиосферы не позволяют отдельным атомам достичь Земли. Однако атомы железа-60 и плутония-244, попавшие в частицы пыли, продолжают лететь к Земле и Луне, где в конечном итоге могут сочиться на поверхность.
Даже если сверхновая произойдет в так называемом «радиусе поражения» менее десяти парсеков, ни один микрограмм вещества из оболочки не упадет на каждый квадратный сантиметр. Фактически, только очень немногие атомы железа-60 на квадратный сантиметр достигают Земли каждый год.
Это представляет собой огромную проблему для «исследователей», таких как физик Антон Вальнер: в образце осадка весом в один грамм, возможно, несколько тысяч атомов железа-60 распределены, как иголки в стоге сена, среди миллиардов раз миллиардов вездесущих и стабильных атомов железа с атомная масса равна 56. Кроме того, даже самый чувствительный метод измерения может обнаружить только каждую пятитысячную частицу, т. е. максимум лишь несколько атомов железа-60 в типичном измерительном образце.
Такие чрезвычайно низкие концентрации можно определить только с помощью ускорительной масс-спектрометрии, короткой AMS. Одна из этих установок, Дрезденская AMS (DREAMS), расположена в HZDR, к которой вскоре присоединится масс-спектрометр ускорителя Гельмгольца, отслеживающий радионуклиды окружающей среды (HAMSTER). Поскольку объекты AMS по всему миру устроены по-разному, различные объекты могут дополнять друг друга в поиске редких изотопов, образующихся при взрывах сверхновых.
20 лет всего за 1000 атомов железа-60
Изотопы одного и того же элемента, но с разной массой, например встречающееся в природе железо-56, удаляются с помощью масс-фильтров. Мешают также атомы других элементов с той же массой, что и целевой объект железо-60, например, встречающийся в природе никель-60. Даже после очень сложной химической подготовки образцов их все равно в миллиарды раз больше, чем железа-60, и их необходимо разделять в специальной ускорительной установке методами ядерной физики.
В конце концов, в процессе измерения, который длится несколько часов, идентифицируются, возможно, пять отдельных атомов железа-60. Новаторская работа по обнаружению железа-60 была проведена в Мюнхенском техническом университете. Однако в настоящее время Канберра в Австралийском национальном университете является единственным существующим центром в мире, который достаточно чувствителен для проведения таких измерений.
Всего за последние 20 лет было измерено всего около тысячи атомов железа-60. Для межзвездного плутония-244, концентрация которого более чем в 10 000 раз ниже, долгое время были доступны данные только для отдельных атомов. Лишь недавно удалось определить около сотни атомов плутония-244 на специализированной инфраструктуре в Сиднее — аналогичной установке HAMSTER, которая сейчас разрабатывается в HZDR.
Однако для исследования пригодны только определенные образцы, которые действуют как архивы, сохраняющие эти атомы, пришедшие из космоса, на миллионы лет. Например, пробы с поверхности Земли быстро «разбавляются» геологическими процессами. Идеальными являются отложения и корки из глубин моря, которые медленно и нетронуто формируются на дне океана. В качестве альтернативы подходят образцы с лунной поверхности, поскольку разрушительные процессы вряд ли являются проблемой.
Во время исследовательской поездки, которая продлится до начала ноября 2023 года, Валлнер и его коллеги будут искать дополнительные космические изотопы на особенно подходящих объектах AMS в австралийских городах Канберра (железо-60) и Сидней (плутоний-244). Для этого он получил ряд лунных образцов от американского космического агентства NASA.
«Параллельные измерения также проводятся в HZDR. Эти уникальные образцы позволят нам получить новое представление о взрывах сверхновых вблизи Земли, а также о самых тяжелых элементах в нашей галактике, которые образуются в результате этих и других процессов», — говорит Валлнер.
Информация от: Ассоциацией немецких исследовательских центров имени Гельмгольца.
