Понедельник, 4 марта, 2024
ДомойНаукаЗагадка железа-60: расшифровка космических взрывов на Земле

Загадка железа-60: расшифровка космических взрывов на Земле

- Advertisement -

Земля несет на себе следы близлежащих сверхновых благодаря следам уникальных изотопов, таких как железо-60 и плутоний-244, обнаруженных в отложениях и лунных образцах. Эти космические остатки, обнаруженные с помощью передовых методов, таких как масс-спектрометрия на ускорителе, раскрывают историю массивных звездных взрывов в наших космических окрестностях.

Поиск свидетелей околоземных астрофизических событий.

Когда крупные звезды или небесные тела взрываются вблизи Земли, их обломки могут достичь нашей Солнечной системы. Доказательства этих космических событий обнаружены на Земле и Луне и могут быть обнаружены с помощью масс-спектрометрии на ускорителе (AMS). Обзор этого захватывающего исследования был недавно опубликован в научном журнале. Ежегодный обзор ядерной науки и науки о элементарных частицах Профессор Антон Валлнер из Центра Гельмгольца Дрезден-Россендорф (HZDR), который вскоре планирует решительно продвинуть эту многообещающую отрасль исследований с помощью новой сверхчувствительной установки AMS «HAMSTER».

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 соответственно три и семь миллионов человек. много 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 ситуация становится действительно некомфортной, когда космические взрывы происходят на расстоянии 30 световых лет или меньше», — объясняет Валлнер. Переведено в астрофизическую единицу. парсекэто соответствует менее восьми-десяти парсекам.

Как только массивные звезды сжигают все свое топливо, их ядра коллапсируют в сверхплотную массу. нейтронная звезда или черная дыра, в то время как 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.

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

Соседний взрыв может серьезно разрушить биосферу Земли и вызвать массовое вымирание, подобное удару астероида 66 миллионов лет назад. Динозавры и многие другие животные разновидность стал жертвой этого события. «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

Множество новых атомов генерируется 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. Таким образом, все железо-60, которое присутствовало при формировании Земли около 4500 миллионов лет назад, уже давно исчезло.

«Железо-60 крайне редко встречается на Земле, поскольку естественным путем оно не производится в сколько-нибудь значительных количествах. Однако он производится в больших количествах непосредственно перед вспышкой сверхновой. Если этот изотоп сейчас обнаруживается в отложениях со дна океана или в материале с поверхности Луны, он, вероятно, возник в результате взрыва сверхновой или другого подобного процесса в космосе, который произошел вблизи Земли всего несколько миллионов лет назад», — резюмирует Валлнер. .

Физик HZDR профессор Антон Валлнер — специалист по поиску межзвездной материи с использованием ускорительной масс-спектрометрии (AMS). Валлнер и его коллеги в Австралии в настоящее время занимаются поиском новых космических изотопов: в Канберре он ищет атомы Fe-60, в Сиднее — атомы PU-244. С этой целью он получил ряд лунных образцов от американского космического агентства NASA. 1 кредит

То же самое относится и к изотопу плутония с атомной массой 244. Однако этот плутоний-244, скорее, генерируется в результате столкновения нейтронных звезд, чем 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 в природе, 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, захваченные частицами 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 миллиардов вездесущих и стабильных атомов железа с атомарной структурой. масса 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 тысячу 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 Австралийский национальный университет Это единственная существующая установка в мире, которая достаточно чувствительна 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 – аналогично 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 космического агентства США. НАСА.

«На HZDR также проводятся параллельные измерения. 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», — уверен Валлнер.

Ссылка: «Глубоководные и лунные радиоизотопы от близлежащих астрофизических взрывов», Брайан Д. Филдс и Антон Валлнер, сентябрь 2023 г., Ежегодный обзор ядерной науки и науки о элементарных частицах.
DOI: 10.1146/annurev-nucl-011823-045541

Исходная ссылка

- Advertisement -

Популярное по теме