Плутоний в земных породах сигнализирует о древнем космическом столкновении

Небольшой кусок породы, поднятый со дна Тихого океана в 1976 году, дает ученым новые подсказки о древнем космическом событии. Более ста миллионов лет назад столкнулись две нейтронные звезды. В результате этого энергичного килонова в космос было выброшено множество долгоживущих элементов, таких как изотопы плутония. В конечном итоге эти звездные "обломки" осели на Земле. Некоторые из них погрузились на дно океана и были включены в кусок ферроманганцевой породы. Скрытые внутри были несколько сотен атомов радиоизотопов плутония. Они предоставляют самые сильные подсказки о том, что создало их в процессе слияния и как давно это произошло.

Плутоний представлен в форме Pu-244, который имеет период полураспада 81,3 миллиона лет. Это помогло команде ученых из института Хельмгольца в Дрездене-Россендорфе в Германии и исследователям Австралийской организации ядерных наук и технологий (ANSTO) установить эпоху взрыва примерно 100 миллионов лет назад. Они также обнаружили, что в образце отсутствует другой элемент, связанный со столкновением: кюрий-247. У него период полураспада 16 миллионов лет.

"Отсутствие радиоизотопа кюрия Cm-247, который также был произведен в результате взрыва, говорит нам о том, что это произошло очень давно," — сказал доктор Майкл Хочкис из ANSTO. "Но не более чем около 1 миллиарда лет назад; в противном случае Pu-244 также был бы недоступен."

Член исследовательской группы Доминик Колл держит образец горной коры, recovered из Тихого океана. Courtesy ANSTO.

Буровые образцы раскрывают элементы из килонова

Чтобы добраться до скрытого Pu-244 и определить возраст обломков слияния нейтронных звезд, научная команда пробурила три образца в породе. Затем они начали тщательный химический анализ. Образцы были датированы с использованием изотопа бериллия Be-10, который имеет период полураспада 1,5 миллиона лет. Они также нашли следы изотопа железа Fe-60 в одном из образцов. Земная кора растет так медленно, что каждый образец, достигающий 3 см в диаметре, охватывает более десяти миллионов лет.

Оставшаяся кора была визуализирована с помощью компьютерной рентгеновской томографии и заключена в смолу. Это позволило ученым нарезать тонкие слои, каждый из которых соответствовал ~1 миллиону лет роста. Затем каждый образец был разделен и обработан для извлечения плутония. В ходе этого анализа команда также нашла следы материала из известных событий сверхновых, которые произошли 2 и 7 миллионов лет назад. Они также нашли немного кюрия, но не тот специфический изотоп, который был бы создан в результате столкновения нейтронных звезд, согласно Хочкису. "Единственное возможное объяснение заключается в том, что космический взрыв, ответственный за плутоний, произошел так давно, что кюрий уже распался до практически нуля," — сказал он.

Создание элементов

Мы все знаем, что такие элементы, как гелий, углерод, азот, кислород — вплоть до железа — образуются внутри звезд, процесс, называемый звездной нуклеосинтезом. Солнце, например, сливает водород в своем ядре, чтобы создать гелий. Через несколько миллиардов лет оно начнет сливать гелий для создания углерода, а затем продолжит создавать углерод и кислород. Когда Солнце начнет переход к белому карлику, оно выбросит все элементы в космос. В звездах, значительно более массивных, чем Солнце, процесс более сложен, но в основном он продолжается до создания железа. Поскольку для создания железа и всего более тяжелого требуется больше энергии, процесс останавливается, ядро коллапсирует, и звезда взрывает все свои элементы в космос. Элементы, такие как золото, платина, уран, никель и цинк, создаются в таких событиях.

Около половины самых тяжелых элементов образуются в колоссальных событиях, таких как столкновения нейтронных звезд, которые приводят к килоновым событиям. Этот процесс называется "r-процессом" и включает такие элементы, как торий и уран, а также трансурановые элементы, такие как плутоний и кюрий. Теории нуклеосинтеза r-процесса предполагают, что как Cm-247, так и Pu-244 производятся одновременно, в примерно равных пропорциях в таком событии. Поскольку кюрий распадается быстрее, чем плутоний, это устанавливает нижнюю границу возраста слияния нейтронных звезд, в то время как Pu-244 помогает определить верхнюю границу.

Периодическая таблица элементов с выделением происхождения каждого элемента. Элементы тяжелее железа создаются в сверхновых, в то время как некоторые создаются только в слияниях нейтронных звезд. Courtesy Cmglee. CC BY-SA 3.0

Изучение пыли r-процесса на Земле и за ее пределами

Подробное изучение этих изотопов, а также других, найденных в образце породы с океанского дна, показывает, что обломки космических событий могут прибывать на Землю импульсами. Некоторые из них связаны с близлежащими взрывами сверхновых. Однако крошечный образец Pu-244 существовал во всех слоях горных срезов. Это означает, что плутоний, вероятно, пришел из слияния нейтронных звезд/килонов. Он продолжает поступать на Землю в виде непрерывного потока на протяжении 100 миллионов лет с момента события.

Исследовательская команда ищет другие образцы, чтобы укрепить открытие слияния нейтронных звезд, используя образцы радиоизотопов. Должно быть больше кусочков древней коры на Земле, которые содержат продукты r-процесса, который произошел. Пыль от этого древнего события могла осесть на Луну и другие миры. Камни Апполона могут быть хорошим объектом для изучения, а будущие миссии могут предоставить другой способ доступа к пыли из древнего прошлого.

Космические миссии, такие как рентгеновская обсерватория Чандра, космический телескоп Джеймса Уэбба и другие, наблюдали слияния нейтронных звезд в различных диапазонах волн. Таким образом, ученые знали, что они происходили. Однако этот "химический анализ" обломков таких событий является большим шагом вперед в датировании событий и наблюдении за результатами нуклеосинтеза r-процесса.

Изображение художника, изображающее слияние нейтронных звезд, сопровождаемое двумя изображениями, полученными рентгеновской обсерваторией Чандра. Этот тип события приводит к условиям с чрезвычайно высокой энергией, способствующим созданию некоторых из более тяжелых элементов, таких как плутоний.