Kiedy masywne gwiazdy lub inne obiekty gwiezdne eksplodują w kosmicznym sąsiedztwie Ziemi, wyrzucone szczątki mogą również dotrzeć do naszego Układu Słonecznego. Ślady takich zdarzeń można znaleźć na Ziemi lub Księżycu i można je wykryć za pomocą akceleratorowej spektrometrii mas, w skrócie AMS. Przegląd tych ekscytujących badań można znaleźć w czasopiśmie naukowym Annual Review of Nuclear and Particle Science (DOI: 10.1146/annurev-nucl-011823-045541) przez prof. Antona Wallnera z Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), który wkrótce planuje zdecydowany postęp w tej obiecującej gałęzi badań dzięki nowemu, ultraczułemu obiektowi AMS „HAMSTER”.
W swoim artykule fizyk HZDR Anton Wallner i jego kolega prof. Brian D. Fields z Uniwersytetu Illinois w Urbana w USA przedstawiają przegląd kosmicznych eksplozji w pobliżu Ziemi, ze szczególnym uwzględnieniem wydarzeń, które miały miejsce odpowiednio trzy i siedem milionów Lata temu.
„Na szczęście zdarzenia te były wciąż wystarczająco daleko, więc prawdopodobnie nie wpłynęły znacząco na klimat Ziemi ani nie miały większego wpływu na biosferę. Jednak sytuacja staje się naprawdę niekomfortowa, gdy kosmiczne eksplozje mają miejsce w odległości 30 lat świetlnych lub mniejszej, – wyjaśnia Wallner. W przeliczeniu na jednostkę astrofizyczną parsek odpowiada to mniej niż ośmiu do dziesięciu parseków.
Gdy masywne gwiazdy spalą całe swoje paliwo, ich jądra zapadają się, tworząc ultragęstą gwiazdę neutronową lub czarną dziurę, podczas gdy gorący gaz jest wyrzucany na zewnątrz z dużą prędkością. Duża część gazu i pyłu rozproszonego pomiędzy gwiazdami jest unoszona przez rozszerzającą się falę uderzeniową. Podobnie jak gigantyczny balon z wybrzuszeniami i wgnieceniami, ta koperta również zamiata wszelki materiał już obecny w kosmosie. Po wielu tysiącach lat pozostałości supernowej rozszerzyły się do średnicy kilku 10 parseków i rozprzestrzeniały się coraz wolniej, aż w końcu ustały ruch.
Pobliska eksplozja może poważnie zakłócić biosferę Ziemi i spowodować masowe wymieranie podobne do uderzenia asteroidy 66 milionów lat temu. Ofiarą tego wydarzenia padły dinozaury i wiele innych gatunków zwierząt. „Jeśli weźmiemy pod uwagę okres od powstania Układu Słonecznego, który obejmuje miliardy lat, nie można wykluczyć bardzo bliskich eksplozji kosmicznych” – podkreśla Wallner.
Niemniej jednak supernowe występują tylko w bardzo ciężkich gwiazdach o masie od ośmiu do dziesięciu razy większej od masy naszego Słońca. Takie gwiazdy są rzadkością. Jednym z najbliższych kandydatów tej wielkości jest czerwony nadolbrzym Betelgeza w gwiazdozbiorze Oriona, znajdujący się w bezpiecznej odległości około 150 parseków od naszego Układu Słonecznego.
Produkcja izotopów międzygwiazdowych
Wiele nowych atomów powstaje podczas kosmicznych eksplozji lub na krótko przed i w trakcie supernowej – wśród nich jest także pewna liczba atomów radioaktywnych. Wallnera szczególnie interesuje radioaktywny izotop żelaza o masie atomowej 60. Około połowa z tych izotopów, w skrócie zwanych żelazem-60, po 2,6 miliona lat zamieniła się w stabilny izotop niklu. Dlatego całe żelazo-60, które było obecne podczas formowania się Ziemi około 4500 milionów lat temu, już dawno zniknęło.
„Żelazo-60 jest niezwykle rzadkie na Ziemi, ponieważ w sposób naturalny nie jest produkowane w znaczących ilościach. Powstaje jednak w dużych ilościach tuż przed wybuchem supernowej. Jeśli ten izotop pojawi się teraz w osadach oceanicznych podłodze lub w materiale z powierzchni Księżyca, prawdopodobnie pochodzi z supernowej lub innego podobnego procesu w przestrzeni, który miał miejsce w pobliżu Ziemi zaledwie kilka milionów lat temu” – podsumowuje Wallner.
To samo dotyczy izotopu plutonu o masie atomowej 244. Jednak ten pluton-244 powstaje raczej w wyniku zderzeń gwiazd neutronowych niż w wyniku supernowych. Jest zatem wskaźnikiem nukleosyntezy ciężkich pierwiastków. Po 80 milionach lat około połowa izotopu plutonu-244 zamieniła się w inne pierwiastki. Dlatego powoli rozkładający się pluton-244 jest, obok żelaza-60, kolejnym wskaźnikiem wydarzeń galaktycznych i produkcji nowych pierwiastków w ciągu ostatnich milionów lat.
„Dokładne to, jak często, gdzie i w jakich warunkach powstają te ciężkie pierwiastki, jest obecnie przedmiotem intensywnej debaty naukowej. Pluton-244 również wymaga zdarzeń wybuchowych i zgodnie z teorią powstaje w podobny sposób jak złoto czy platyna, które mają zawsze występowały naturalnie na Ziemi, ale obecnie składają się ze stabilnych atomów” – wyjaśnia Wallner.
Cząsteczki pyłu jako kosmiczne statki towarowe
Ale w jaki sposób te izotopy w ogóle dostają się na Ziemię? Atomy żelaza-60 wyrzucone przez supernową lubią gromadzić się w cząsteczkach pyłu. Podobnie jest z izotopami plutonu-244, które prawdopodobnie powstały w wyniku innych wydarzeń i porwane przez rozszerzającą się otoczkę supernowej. Według teorii, po kosmicznych eksplozjach w odległości większej niż dziesięć, ale mniejszej niż 150 parseków, wiatr słoneczny i pole magnetyczne heliosfery uniemożliwiają pojedynczym atomom dotarcie do Ziemi. Jednak atomy żelaza-60 i plutonu-244 uwięzione w cząsteczkach pyłu nadal lecą w kierunku Ziemi i Księżyca, skąd mogą ostatecznie przedostać się na powierzchnię.
Nawet w przypadku supernowej występującej w tak zwanym „promieniu śmierci” mniejszym niż dziesięć parseków, nawet mikrogram materii z otoczki nie wyląduje na każdym centymetrze kwadratowym. W rzeczywistości tylko niewielka liczba atomów żelaza (60) na centymetr kwadratowy dociera do Ziemi każdego roku. Stanowi to ogromne wyzwanie dla „badaczy”, takich jak fizyk Anton Wallner: w jednogramowej próbce osadu być może kilka tysięcy atomów żelaza-60 jest rozmieszczonych jak igły w stogu siana wśród miliardów razy miliardów wszechobecnych i stabilnych atomów żelaza z masa atomowa 56. Co więcej, nawet najbardziej czuła metoda pomiaru może wykryć tylko co pięciotysięczną cząstkę, czyli maksymalnie tylko kilka atomów żelaza – 60 w typowej próbce pomiarowej.
Tak ekstremalnie niskie stężenia można określić jedynie za pomocą spektrometrii mas z akceleratorem, w skrócie AMS. Jeden z takich obiektów, Dresden AMS (DREAMS), znajduje się w HZDR, a wkrótce dołączy do niego spektrometr masowy z akceleratorem Helmholtza do śledzenia radionuklidów środowiskowych (HAMSTER). Ponieważ obiekty AMS na całym świecie są projektowane w różny sposób, poszczególne obiekty mogą się uzupełniać w poszukiwaniu rzadkich izotopów pochodzących z eksplozji supernowych.
20 lat za zaledwie tysiąc atomów żelaza-60
Izotopy tego samego pierwiastka, ale o różnej masie, np. naturalnie występujące żelazo-56, są usuwane za pomocą filtrów masowych. Atomy innych pierwiastków o tej samej masie co docelowy obiekt żelaza-60, na przykład naturalnie występującego niklu-60, również zakłócają. Nawet po bardzo złożonym chemicznym przygotowaniu próbek jest ono nadal miliardy razy większe niż żelazo-60 i należy je rozdzielić w specjalnym akceleratorze przy użyciu metod fizyki jądrowej.
Ostatecznie w procesie pomiarowym trwającym kilka godzin udaje się zidentyfikować prawdopodobnie pięć pojedynczych atomów żelaza-60. Pionierskie prace nad wykrywaniem żelaza-60 prowadzono na Uniwersytecie Technicznym w Monachium. Obecnie jednak Canberra na Australijskim Uniwersytecie Narodowym jest jedyną istniejącą placówką na świecie, która jest wystarczająco czuła, aby wykonywać takie pomiary.
W sumie w ciągu ostatnich 20 lat zmierzono jedynie około tysiąca atomów żelaza-60. W przypadku międzygwiazdowego plutonu-244, który występuje w stężeniach ponad 10 000 razy niższych, przez długi czas dostępne były jedynie dane dotyczące poszczególnych atomów. Dopiero niedawno możliwe było oznaczenie około stu atomów plutonu-244 w specjalistycznej infrastrukturze w Sydney – podobnej do obiektu HAMSTER, który jest obecnie rozwijany w HZDR.
Jednak do badań nadają się tylko niektóre próbki, które pełnią rolę archiwów przechowujących atomy pochodzące z kosmosu przez miliony lat. Na przykład próbki z powierzchni Ziemi są szybko „rozcieńczane” w wyniku procesów geologicznych. Idealne są osady i skorupy z głębin morskich, które powoli tworzą się w nienaruszonym stanie na dnie oceanu. Alternatywnie odpowiednie są próbki z powierzchni Księżyca, ponieważ procesy zakłócające nie stanowią problemu.
Podczas podróży badawczej trwającej do początku listopada 2023 r. Wallner i jego współpracownicy będą polować na dalsze kosmiczne izotopy w szczególnie odpowiednich obiektach AMS w australijskich miastach Canberra (żelazo-60) i Sydney (pluton-244). W tym celu otrzymał od amerykańskiej agencji kosmicznej NASA szereg próbek księżycowych.
„W HZDR prowadzone są również równoległe pomiary. Te unikalne próbki pozwolą nam uzyskać nowy wgląd w eksplozje supernowych w pobliżu Ziemi, ale także w najcięższe pierwiastki w naszej galaktyce, które powstają w wyniku tych i innych procesów” – jest pewien Wallner.