Земля під дощем пилу супернових

Сонячна система наразі проходить крізь хмару зоряних уламків. Дослідження ізольованого ізотопу заліза-60 у льодах Антарктики, проведене командою ядерних фізиків, підтвердило, що наше галактичне середовище насичене залишками масивних зоряних вибухів. Результати цього дослідження були опубліковані у журналі Physical Review Letters.

Відомо, що ще з 1990-х років супернові вибухали у сусідстві Сонця кілька мільйонів років тому, залишивши за собою "Локальну бульбашку" з гарячого і малоплотного газу (приблизно 0,05 атома/см³). Наша Сонячна система вже кілька мільйонів років перебуває в цій бульбашці. Наразі ми знаходимося у структурі, що є дещо щільнішою, у межах цієї бульбашки: у Локальному міжзоряному хмарі (LIC), одному з багатьох малих гарячих хмар у комплексі локальних міжзоряних хмар (CLIC), розташованих поблизу Сонця. Походження цих хмар залишається невідомим і може бути пов'язане з динамікою ударних хвиль від супернових вибухів. Якщо супернові є причиною цих хмар або впливають на їхні властивості, CLIC може слугувати космічним архівом для цих подій.

Однак залишається питання: чи містить міжзоряне середовище, яке ми сьогодні перетинаємо, ще активні сліди цих катастрофічних подій? Дослідження, проведене Домініком Коллом (Технічний університет Мюнхена) та його колегами, дало однозначну відповідь завдяки досягненням у ядерній метролоії.

Залізо-60 є радіонуклідом, чия присутність є беззаперечною ознакою нещодавньої вибухової нуклеосинтезу. Воно утворюється внаслідок захоплення нейтронів на стабільних ядрах заліза в глибинах масивних зірок та під час їх вибуху у супернову типу II. Оскільки період напіврозпаду заліза-60 становить 2,62 мільйона років, цей ізотоп є "короткоживучим" на космологічному масштабі. Якщо він був присутній під час народження Землі 4,5 мільярда років тому, сьогодні не залишилося б жодного атома.

Колл та його команда витягли зразок льоду вагою 495 кг на антарктичній станції Кохнен, що датується періодом від 40 000 до 81 000 років. Для виділення сигналу (атомів заліза-60) з фону вони використали Мас-спектрометрію з прискорювачем (СMA) на тандемному прискорювачі 14 МеВ у Гархінгу (Мюнхен). Технічне завдання було подвійним: потрібно було відокремити залізо-60 від стабільного та вкрай поширеного ізотопу нікелю-60, оскільки вони мають однакову атомну масу.

СMA з'явилася наприкінці 1970-х років. Ця технологія була розроблена для визначення вмісту надзвичайно рідкісних ізотопів, таких як природні радіоізотопи з дуже тривалими періодами радіоактивності (берилій-10, вуглець-14, алюміній-26 тощо), які продукуються космічними променями і називаються космогенні ізотопи. У випадку вуглецю-14, SMA дозволяє перетворити атоми вуглецю зразка на іонний пучок, що підлягає вимірюванню, видаляючи велику частину атомів або молекул з масою 14.

Ця технологія дозволяє безпосередньо рахувати атоми, що нас цікавлять, без очікування їх розпадів, як це робиться в класичних методах підрахунку. Перевага SMA полягає в тому, що вона вводить кілька послідовних фільтрів, які видаляють практично всі ізобари (які відрізняються ядрами, але мають однакову атомну масу). Для їх розрізнення використовується диференційна втрата енергії в газовому селекторі. Оскільки нікель має на два протони більше, ніж залізо (28 протонів проти 26), він взаємодіє сильніше з газом і може бути вибірково відхилений.

Хоча ця технологія була розроблена для циклотронів, наразі вона реалізується майже виключно на "тандемних прискорювачах" з напругою від 0,5 до кількох мегавольт. Тандемні прискорювачі є прискорювачами частинок (іонів) типу "Ван де Графф", які потребують ін'єкції негативних іонів: дуже висока напруга прискорює негативно заряджені іони, а на аноді система "страппер" перетворює негативні іони на позитивні. Ці позитивні іони потім прискорюються ще раз у частині високої енергії машини, щоб досягти катода. Німецькі фізики перетворили свій зразок льоду на водяну пару, яку потім іонізували і ін'єктували в прискорювач.

Ще одним технічним викликом було те, що космічні промені також можуть створювати залізо-60 через реакції спалювання ядер заліза або нікелю, що містяться в земних або атмосферних частках (вибивання протонів або нейтронів). Тому команда одночасно виміряла ще один ізотоп, марганець-53, який виробляється лише космічними променями, для порівняння з вмістом заліза-60. Вони виміряли співвідношення Fe-60/Mn-53 і виявили, що воно значно перевищує очікуване для чисто космогенного походження, що підтверджує міжзоряне походження заліза-60 у їхньому зразку льоду.

Дослідники виявили всього 10 атомів заліза-60 (так, не більше ніж 10 атомів!). Це число, хоча й мізерне, свідчить про значний потік, якщо його порівняти з поверхнею та часом: це приблизно 0,22 атома заліза-60 на см² на рік! (або, якщо точніше, один атом кожні 5 років на 1 см² льоду). Цей результат важливий з двох причин: цей потік є узгодженим (хоча й трохи нижчим) з тим, що вимірюється в глибоких морських осадках за останні 40 000 років. Це означає, що Земля проходить через відносно однорідну міжзоряну структуру, насичену пилом супернових протягом тисячоліть. Дослідження доводить, що Локальне міжзоряне хмара (LIC) не тільки складається з газу, а й переносить тверді частинки пилу, збагачені радіоактивними важкими елементами, що походять з минулих супернових вибухів.

Крім того, автори наголошують, що зміни в геліосфері, викликані її взаємодією з змінним міжзоряним середовищем під час проходження Сонячної системи через CLIC, можуть призводити до варіацій інтенсивності галактичних космічних променів поблизу Землі. Вміст космогенних радіонуклідів на Землі, створених цими космічними променями, такими як ¹⁰Be або ¹⁴C, може відображати ці варіації. Відомі аномалії, такі як події Міяке, викликані змінами сонячної активності на річному масштабі, або нещодавно виявлена аномалія верхнього міоцену, надають цінну інформацію про геологічні та космічні процеси. Цілеспрямовані дослідження аномалій радіонуклідів на часовій шкалі проходження Сонячної системи через CLIC, у поєднанні з геліосферними моделями, що враховують модулювання, викликане міжзоряним середовищем, можуть доповнити записи заліза-60, які виникають від супернових.

Це відкриття підтверджує, що Сонячна система подорожує в середовищі, сформованому смертю зірок. Залізо-60, знайдене в льоді сьогодні, ймовірно, походить від супернових, які вибухнули кілька мільйонів років тому в зоряному асоціації Скорпіон-Центавр, найближчій до нас зоні зіркоутворення. Ці частинки пилу подорожують через міжзоряне середовище, перетинають магнітний кордон нашої Сонячної системи і закінчують свій шлях у льодах полюсів Землі. Ми збираємо в льоді попіл мертвих зірок, які давно загинули.