Земля под дождем звездной пыли

Солнечная система в настоящее время проходит через облако звездных остатков. Исследовательская группа физиков-ядерщиков, отслеживая изотоп железа-60 в антарктическом льду, подтвердила, что наше галактическое окружение насыщено следами от мощных звездных взрывов. Результаты их работы были опубликованы в журнале Physical Review Letters.

С 1990-х годов известно, что в непосредственной близости от Солнца произошли взрывы супернов, оставившие после себя «Локальную Пузырь» из горячего газа с низкой плотностью (~0,05 атома/см³). На протяжении миллионов лет наша Солнечная система движется через эту пузырь. В настоящее время мы находимся в более плотной структуре внутри этого облака — Локальном Межзвездном Облаке (LIC), одном из множества небольших горячих облаков в комплексе местных межзвездных облаков (CLIC), расположенных в окрестностях Солнца. Происхождение этих облаков остается неясным и может быть связано с динамикой ударных волн от супернов. Если суперновы действительно являются источником этих облаков или влияют на их свойства, то CLIC может служить космическим архивом этих событий.

Однако остается вопрос: содержит ли межзвездная среда, через которую мы проходим, активные следы этих катастрофических событий? Исследование, проведенное Домиником Коллом (Технический университет Мюнхена) и его коллегами, дает однозначный ответ благодаря достижениям в области ядерной метрологии.

Железо-60 — это радионуклид, чье присутствие является неопровержимым доказательством недавней взрывной нуклеосинтезы. Оно образуется в результате последовательных захватов нейтронов на стабильных ядрах железа в глубоких слоях массивных звезд и при их взрывах в качестве супернов типа II. С периодом полураспада в 2,62 миллиона лет, это изотоп с «коротким сроком жизни» в космологическом масштабе. Если бы он присутствовал при образовании Земли 4,5 миллиарда лет назад, то сегодня не осталось бы ни одного атома.

Колл и его команда извлекли ледяную керн из 495 кг на антарктической станции Кохнен, возраст которого составляет от 40 000 до 81 000 лет. Для выделения сигнала (атомов железа-60) из фона они использовали ускорительную масс-спектрометрию (СМА) на тандемном ускорителе 14 МэВ в Гархинге (Мюнхен). Техническая задача заключалась в том, чтобы отделить железо-60 от стабильного и повсеместного никеля-60, который имеет ту же атомную массу, что и Fe-60.

Ускорительная масс-спектрометрия была разработана в конце 1970-х годов для определения содержания чрезвычайно редких изотопов, таких как природные радиоиcтопы с очень долгим периодом радиоактивности (бериллий-10, углерод-14, алюминий-26 и др.), образуемых космическими лучами и называемых космогенными изотопами. В случае углерода-14 СМА позволяет преобразовать атомы углерода образца в измеримые ионные пучки, устраняя большую часть атомов или молекул с атомной массой 14.

Эта техника позволяет непосредственно подсчитывать интересующие атомы, не дожидаясь их распада, как в классических методах подсчета. Преимущество СМА заключается в введении нескольких последовательных фильтров, которые устраняют почти все изобары (разные ядра, но с одинаковой атомной массой). Для их различия используется дифференциальная потеря энергии в газовом селекторе. Поскольку никель имеет на два протона больше, чем железо (28 против 26), он взаимодействует с газом более сильно и может быть избирательно отклонен.

Хотя техника была разработана на циклотронах, в настоящее время она почти исключительно применяется на «тандемных ускорителях» с напряжением от 0,5 до нескольких мегавольт. Тандемные ускорители — это ускорители частиц (ионов) типа «Ван де Граафа», которые требуют инъекции отрицательных ионов: очень высокое напряжение ускоряет введенные отрицательные ионы, и на уровне анода система «элементарного удаления» преобразует отрицательные ионы в положительные. Последние затем ускоряются во второй раз в высокоэнергетической части машины до достижения катода. Немецкие физики преобразовали свой ледяной керн в пар воды, который затем ионизировали и ввели в ускоритель.

Другой технической задачей было то, что космические лучи также могут создавать железо-60 через реакции спалляции ядер железа или никеля, присутствующих в земной или атмосферной пыли (вырывание протонов или нейтронов). Поэтому команда одновременно измерила другой изотоп, марганец-53, который образуется исключительно космическими лучами, чтобы сравнить его с содержанием железа-60. Затем они измерили соотношение Fe-60/Mn-53 и обнаружили, что оно значительно превышает ожидаемое для чисто космогенного производства, что подтверждает межзвездное происхождение железа-60 в их образце льда.

Исследователи обнаружили в общей сложности 10 атомов железа-60 (да, не больше 10 атомов!). Хотя это число кажется крошечным, оно отражает значительный поток, когда его соотнести с поверхностью и временем: это около 0,22 атома Fe-60 на см² в год! (или, если предпочитаете, один атом каждые 5 лет на 1 см² поверхности льда). Этот результат важен по двум причинам: этот поток согласуется (хотя и немного ниже) с тем, который измеряется в глубоких морских осадках за последние 40 000 лет. Это означает, что Земля проходит через относительно однородную межзвездную структуру, насыщенную пылью от супернов на протяжении тысячелетий. Исследование доказывает, что Локальное Межзвездное Облако (LIC) состоит не только из газа, но и переносит твердые частицы пыли, обогащенные тяжелыми радиоактивными элементами, возникшими из прошлых супернов.

Кроме того, авторы подчеркивают, что изменения в гелиосфере, вызванные ее взаимодействием с переменной межзвездной средой во время прохождения солнечной системы через CLIC, могут привести к изменению интенсивности галактических космических лучей вблизи Земли. Содержания космогенных радионуклидов на Земле, созданные этими космическими лучами, такие как ¹⁰Be или ¹⁴C, могут отражать эти изменения. Известные аномалии, такие как события Мияке, вызванные изменениями солнечной активности на ежегодной основе, или недавно обнаруженная аномалия верхнего миоцена, предоставляют ценную информацию о геологических и космических процессах. Целевые исследования аномалий радионуклидов в временных рамках прохождения солнечной системы через CLIC, в сочетании с гелиосферными моделями, учитывающими модуляции, вызванные межзвездной средой, могут дополнить записи железа-60, произведенные суперновами.

Это открытие подтверждает, что солнечная система движется в среде, сформированной смертью звезд. Железо-60, найденное в льду сегодня, вероятно, произошло от супернов, взорвавшихся миллионы лет назад в звёздной ассоциации Скорпион-Центавр, ближайшей к нам области звездообразования. Эти частицы пыли путешествуют через межзвездную среду, пересекают магнитную границу нашей солнечной системы и заканчивают свой путь в льдах земных полюсов. Мы собираем в льду пепел давно мертвых звезд.