Плутоній у земних породах сигналізує про давню космічну колізію

Маленький шматок породи, піднятий з дна Тихого океану в 1976 році, надає вченим нові підказки про давню космічну подію. Більше ста мільйонів років тому зіткнулися дві нейтронні зірки. Внаслідок цього енергетичного кілонови відбулося падіння дощу довговічних елементів, таких як ізотопи плутонію, у космос. Зрештою, це зоряне "сміття" осіло на Землі. Деякі з них потонули на дно океану і були включені в шматок ферроманганцевої породи. Серед них були кілька сотень атомів радіоізотопів плутонію. Вони надають найсильніші підказки про те, що їх створило під час злиття і як давно це сталося.

Плутоній знаходиться у формі Pu-244, який має період напіврозпаду 81,3 мільйона років. Це допомогло команді вчених з Інституту Гельмгольца в Дрездені-Россендорфі в Німеччині та дослідникам з Австралійської організації ядерної науки і технологій (ANSTO) визначити епоху вибуху приблизно 100 мільйонів років тому. Вони також виявили, що в зразку не вистачає ще одного елемента, пов'язаного з колізією: кюрій-247. Він має період напіврозпаду 16 мільйонів років.

"Відсутність радіоізотопу кюрію Cm-247, який також був вироблений під час вибуху, говорить нам про те, що це сталося дуже давно", - сказав доктор Майкл Хочкіс з ANSTO. "Але не більше ніж приблизно 1 мільярд років тому; інакше Pu-244 також був би недоступний."

Свердловини виявляють елементи з кілонови

Щоб дістатися до прихованого Pu-244 і визначити вік уламків злиття нейтронних зірок, наукова команда просвердлила три свердловини в породі. Потім вони почали ретельний хімічний аналіз. Свердловини датувалися за допомогою ізотопу берилію Be-10, який має період напіврозпаду 1,5 мільйона років. Вони також знайшли сліди ізотопу заліза Fe-60 в одній з свердловин. Земна кора зростає так повільно, що кожна свердловина, що вимірює до 3 см, охоплює більше десяти мільйонів років.

Залишок кори був зображений за допомогою комп'ютерної рентгенівської томографії та закритий у смолі. Це дозволило вченим вирізати тонкі шари, які відповідали приблизно 1 мільйону років зростання. Потім кожен зразок був поділений і оброблений для виділення плутонію. Під час цього аналізу команда також знайшла сліди матеріалу з відомих подій наднових, які сталися 2 і 7 мільйонів років тому. Вони також знайшли деякий кюрій, але не той специфічний ізотоп, який був би створений під час зіткнення нейтронних зірок, за словами Хочкіса. "Єдине можливе пояснення полягає в тому, що космічний вибух, відповідальний за плутоній, стався так давно, що кюрій вже розпався до практично нічого", - сказав він.

Створення елементів

Всі ми знаємо, що елементи, такі як гелій, вуглець, азот, кисень — аж до заліза — створюються всередині зірок, процес, який називається зоряною нуклеосинтезою. Сонце, наприклад, зливає водень у своєму ядрі, щоб створити гелій. Через кілька мільярдів років воно почне зливати гелій, щоб створити вуглець, а потім продовжить створювати вуглець і кисень. Коли Сонце почне перехід до стану білого карлика, воно вивільнить всі елементи в космос. У зірках, які значно масивніші за Сонце, процес є більш складним, але в основному він триває до створення заліза. Оскільки для створення заліза та будь-яких важчих елементів потрібно більше енергії, процес зупиняється, ядро колапсує, і зірка вибухає всіма своїми елементами в космос. Елементи, такі як золото, платина, уран, нікель і цинк, створюються під час таких подій.

Приблизно половина найважчих елементів створюється під час колосальних подій, таких як зіткнення нейтронних зірок, які призводять до кілонових подій. Цей процес називається "r-процесом" і включає такі елементи, як торій і уран, а також трансуранії, такі як плутоній і кюрій. Теорії нуклеосинтезу r-процесу припускають, що як Cm-247, так і Pu-244 виробляються одночасно, приблизно в рівних пропорціях під час такої події. Оскільки кюрій розпадається швидше, ніж плутоній, це встановлює нижню межу віку злиття нейтронних зірок, тоді як Pu-244 допомагає визначити верхню межу.

Дослідження пилу r-процесу на Землі та за її межами

Детальне вивчення цих ізотопів, а також інших, знайдених у зразку породи з дна океану, показує, що уламки космічних подій можуть прибувати на Землю пульсуючи. Деякі з них пов'язані з близькими вибухами наднових. Однак маленький зразок Pu-244 існував у всіх шарах породи. Це означає, що плутоній, ймовірно, походить від злиття нейтронних зірок/кілонови. Він постійно надходив на Землю протягом 100 мільйонів років з моменту події.

Дослідницька команда шукає інші зразки, щоб підкріпити відкриття злиття нейтронних зірок, використовуючи зразки радіоізотопів. Має бути більше шматків давньої кори на Землі, які містять продукти r-процесу, що відбувалися. Пил з тієї давньої події міг осісти на Місяці та інших світах. Камені Аполо можуть бути хорошим об'єктом для дослідження, а майбутні місії можуть надати ще один спосіб доступу до пилу з давнього минулого.

Космічні місії, такі як рентгенівська обсерваторія Чандра, космічний телескоп Джеймса Вебба та інші, спостерігали за злиттями нейтронних зірок у різних довжинах хвиль. Отже, вчені знали, що вони відбувалися. Однак цей "хімічний аналіз" уламків таких подій є великим кроком уперед у датуванні подій та спостереженні результатів нуклеосинтезу r-процесу.