رمزگشایی انفجارهای کیهانی در زمین

ژانویه 20, 2024

0 2 خواندن این مطلب 6 دقیقه زمان میبرد

زمین زخم‌های ابرنواخترهای مجاور را از طریق آثار ایزوتوپ‌های منحصربه‌فرد مانند آهن-60 و پلوتونیوم-244 که در رسوبات و نمونه‌های قمری یافت می‌شود، حمل می‌کند. این بقایای کیهانی که با استفاده از روش‌های پیشرفته‌ای مانند طیف‌سنجی جرمی شتاب‌دهنده شناسایی شده‌اند، سابقه انفجارهای عظیم ستاره‌ای را در همسایگی کیهانی ما نشان می‌دهند.

رمزگشایی انفجارهای کیهانی در زمین -جستجو برای شاهدان رویدادهای اخترفیزیکی نزدیک به زمین.

هنگامی که ستارگان بزرگ یا اجرام آسمانی در نزدیکی زمین منفجر می شوند، بقایای آنها می تواند به منظومه شمسی ما برسد.

شواهدی از این رویدادهای کیهانی در زمین و ماه یافت می شود که از طریق طیف سنجی جرمی شتاب دهنده (AMS) قابل تشخیص است.

مروری بر این تحقیق هیجان انگیز اخیراً در مجله علمی Annual Review of Nuclear and Particle Science توسط پروفسور آنتون والنر از Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) منتشر شده است که به زودی قصد دارد این شاخه تحقیقاتی امیدوارکننده را با مرکز جدید و فوق حساس AMS “HAMSTER”.

فیزیکدان HZDR آنتون والنر و همکار پروفسور برایان دی فیلدز از دانشگاه ایلینویز در اوربانا، ایالات متحده، در مقاله خود، مروری بر انفجارهای کیهانی نزدیک به زمین با تمرکز ویژه بر رویدادهایی ارائه می دهند که به ترتیب سه و به ترتیب هفت میلیون رخ داده اند. سالها پیش.

«خوشبختانه، این رویدادها هنوز به اندازه کافی دور بودند، بنابراین احتمالاً تأثیر قابل توجهی بر آب و هوای زمین نداشتند یا تأثیرات عمده ای بر زیست کره نداشتند.

با این حال، وقتی انفجارهای کیهانی در فاصله 30 سال نوری یا کمتر اتفاق می افتد، همه چیز واقعا ناراحت کننده می شود. این مقدار که به واحد اخترفیزیکی پارسک تبدیل می‌شود ، کمتر از هشت تا ده پارسک است.

هنگامی که ستارگان پرجرم تمام سوخت خود را سوزانده اند، هسته آنها به یک ستاره نوترونی فوق چگال یا یک سیاهچاله فرو می ریزد ، در حالی که در همان زمان، گاز داغ با سرعت بالا به بیرون پرتاب می شود.

بخش بزرگی از گاز و غباری که بین ستارگان به خوبی پراکنده شده است توسط یک موج شوک در حال انبساط منتقل می شود.

مانند یک بالون غول پیکر با برآمدگی ها و فرورفتگی ها، این پاکت همچنین تمام مواد موجود در فضا را جارو می کند.

پس از هزاران سال، بقایای یک ابرنواختر به قطر چند 10 پارسک منبسط شده است و تا زمانی که حرکت در نهایت متوقف شود، آهسته تر گسترش یافته است.

اندازه‌گیری‌های طیف‌سنجی جرمی شتاب‌دهنده (AMS) این پوسته فرومنگنز از اقیانوس آرام، آهن بین‌ستاره‌ای، منگنز-53 و پلوتونیوم-244 را نشان داده است. شامل اتم هایی با قدمت بیش از 20 میلیون سال است. سکه به صورت ترازو 3.2 سانتی متر قطر دارد.

یک انفجار نزدیک این امکان را دارد که به شدت بیوسفر زمین را مختل کند و باعث انقراض دسته جمعی مشابه برخورد سیارک ۶۶ میلیون سال پیش شود.

دایناسورها و بسیاری از گونه های جانوری دیگر قربانی آن رویداد شدند. والنر تأکید می کند: «اگر دوره زمانی از زمان شکل گیری منظومه شمسی را در نظر بگیریم که میلیاردها سال را در بر می گیرد، انفجارهای کیهانی بسیار نزدیک را نمی توان رد کرد.

با این وجود، ابرنواخترها تنها در ستارگان بسیار سنگین با جرمی بیش از هشت تا ده برابر خورشید ما رخ می دهند. چنین ستاره هایی نادر هستند.

یکی از نزدیکترین نامزدها به این اندازه، غول سرخ بتلژوز در صورت فلکی شکارچی است که در فاصله ایمن حدود 150 پارسک از منظومه شمسی ما قرار دارد.

رمزگشایی انفجارهای کیهانی در زمین

تولید ایزوتوپ های بین ستاره ای

بسیاری از اتم‌های جدید در طی انفجارهای کیهانی یا اندکی قبل و در طول ابرنواختر ایجاد می‌شوند – از جمله تعدادی اتم رادیواکتیو. والنر به ویژه به ایزوتوپ آهن رادیواکتیو با جرم اتمی 60 علاقه مند است.

حدود نیمی از این ایزوتوپ ها که به اختصار iron-60 نامیده می شوند، پس از 2.6 میلیون سال به ایزوتوپ نیکل پایدار تبدیل شده اند.

بنابراین، تمام آهن 60 که در شکل گیری زمین در حدود 4500 میلیون سال پیش وجود داشت، مدت هاست ناپدید شده است.

آهن 60 در زمین بسیار نادر است زیرا به روش طبیعی به مقدار قابل توجهی تولید نمی شود. با این حال، درست قبل از وقوع یک ابرنواختر در مقادیر زیادی تولید می شود.

والنر خلاصه می‌کند که اگر این ایزوتوپ اکنون در رسوبات کف اقیانوس یا در مواد سطح ماه پیدا شود، احتمالاً از یک ابرنواختر یا فرآیند مشابه دیگری در فضا آمده است که تنها چند میلیون سال پیش در نزدیکی زمین اتفاق افتاده است.

همین امر در مورد ایزوتوپ پلوتونیوم با جرم اتمی 244 صدق می کند. با این حال، این پلوتونیوم-244 به احتمال زیاد در اثر برخورد ستارگان نوترونی نسبت به ابرنواخترها ایجاد می شود.

بنابراین، شاخصی از سنتز هسته عناصر سنگین است. پس از یک دوره 80 میلیون ساله، حدود نیمی از ایزوتوپ پلوتونیوم 244 به عناصر دیگر تبدیل شده است.

بنابراین، پلوتونیوم 244 که به آهستگی در حال فروپاشی است، علاوه بر آهن 60، شاخص دیگری از رویدادهای کهکشانی و تولید عناصر جدید در میلیون‌ها سال گذشته است.

این که این عناصر سنگین چقدر، کجا و در چه شرایطی تولید می شوند در حال حاضر موضوع بحث های علمی شدید است.

والنر توضیح می‌دهد که پلوتونیوم-244 به رویدادهای انفجاری نیز نیاز دارد و طبق تئوری، مشابه عناصر طلا یا پلاتین تولید می‌شود که همیشه به طور طبیعی روی زمین وجود داشته‌اند، اما امروزه از اتم‌های پایدار تشکیل شده‌اند.

ذرات غبار به عنوان کشتی های محموله کیهانی

اما در وهله اول چگونه این ایزوتوپ ها به زمین می رسند؟ اتم های آهن 60 که توسط ابرنواختر پرتاب می شوند، دوست دارند در ذرات غبار جمع شوند.

ایزوتوپ‌های پلوتونیوم-244 نیز که احتمالاً در رویدادهای دیگر ایجاد شده‌اند و توسط پوشش در حال گسترش ابرنواختر فراگرفته شده‌اند، همین‌طور هستند.

بر اساس تئوری، پس از انفجارهای کیهانی در فاصله بیش از ده اما کمتر از 150 پارسک، باد خورشیدی و میدان مغناطیسی هلیوسفر از رسیدن اتم های منفرد به زمین جلوگیری می کند.

با این حال، اتم های آهن 60 و پلوتونیوم 244 که در ذرات غبار به دام افتاده اند به پرواز خود به سمت زمین و ماه ادامه می دهند، جایی که در نهایت می توانند به سطح زمین برسند.

حتی با وجود یک ابرنواختر در به اصطلاح «شعاع کشتار» کمتر از ده پارسک، حتی یک میکروگرم ماده از پوشش روی هر سانتی‌متر مربع فرود نمی‌آید.

در واقع، تنها تعداد بسیار کمی از اتم های آهن در هر سانتی متر مربع هر سال به زمین می رسد.

این یک چالش بزرگ برای “محققان” مانند فیزیکدان آنتون والنر ایجاد می کند: در یک نمونه رسوب یک گرمی، شاید چند هزار اتم آهن 60 مانند سوزن در انبار کاه بین میلیاردها میلیارد اتم آهن موجود در همه جا و پایدار با اتم توزیع شود. جرم 56. علاوه بر آن، حتی حساس ترین روش اندازه گیری نیز ممکن است تنها هر پنج هزارمین ذره را شناسایی کند، یعنی حداکثر تنها چند اتم آهن-60 در یک نمونه اندازه گیری معمولی.

چنین غلظت های بسیار پایینی را فقط می توان با طیف سنجی جرمی شتاب دهنده، AMS کوتاه تعیین کرد. یکی از این امکانات، Dresden AMS (DREAMS)، در HZDR قرار دارد که به زودی توسط شتاب‌دهنده هلمهولتز طیف‌سنج جرمی ردیابی رادیونوکلئیدهای محیطی (HAMSTER) به آن ملحق خواهد شد.

از آنجایی که تاسیسات AMS در سراسر جهان متفاوت طراحی شده‌اند، امکانات مختلف می‌توانند مکمل یکدیگر در جستجوی ایزوتوپ‌های نادر از انفجارهای ابرنواختری باشند.

رمزگشایی انفجارهای کیهانی در زمین

20 سال فقط برای هزار اتم آهن

ایزوتوپ های یک عنصر اما با جرم متفاوت، مانند آهن-56 طبیعی، با فیلترهای جرمی حذف می شوند.

اتم های عناصر دیگر با جرم مشابه با جسم هدف آهن-60، به عنوان مثال، نیکل-60 که به طور طبیعی وجود دارد، نیز تداخل دارند.

حتی پس از آماده‌سازی شیمیایی بسیار پیچیده نمونه‌ها، آنها هنوز میلیاردها برابر فراوان‌تر از آهن 60 هستند و باید در یک مرکز شتاب‌دهنده ویژه با استفاده از روش‌های فیزیک هسته‌ای جدا شوند.

در پایان، شاید پنج اتم منفرد آهن 60 در یک فرآیند اندازه گیری که چندین ساعت طول می کشد، شناسایی شود. کار پیشگام بر روی تشخیص آهن 60 در TU مونیخ انجام شد.

با این حال، در حال حاضر، کانبرا در دانشگاه ملی استرالیا تنها مرکز موجود در سراسر جهان است که به اندازه کافی برای انجام چنین اندازه‌گیری‌هایی حساس است.

در مجموع، تنها حدود هزار اتم آهن 60 در 20 سال گذشته اندازه گیری شده است. برای پلوتونیوم-244 بین ستاره‌ای، که در غلظت‌های بیش از 10000 برابر کمتر رخ می‌دهد، تنها اطلاعات مربوط به اتم‌های منفرد برای مدت طولانی در دسترس بود.

اخیراً امکان تعیین حدود صد اتم پلوتونیوم-244 در زیرساخت تخصصی در سیدنی وجود دارد – شبیه به تأسیسات HAMSTER که در حال حاضر در HZDR در حال توسعه است.

با این حال، تنها نمونه‌های خاصی برای بررسی مناسب هستند که به عنوان آرشیو برای حفظ این اتم‌هایی که از فضا برای میلیون‌ها سال می‌آیند، عمل می‌کنند.

برای مثال، نمونه هایی از سطح زمین به سرعت توسط فرآیندهای زمین شناسی “رقیق” می شوند.

رسوبات و پوسته های اعماق دریا که به آرامی بدون دستکاری در کف اقیانوس شکل می گیرند، ایده آل هستند. از طرف دیگر، نمونه‌هایی از سطح ماه مناسب هستند زیرا فرآیندهای مخرب به سختی مشکل ساز هستند.

در یک سفر تحقیقاتی تا اوایل نوامبر 2023، والنر و همکارانش برای ایزوتوپ های کیهانی بیشتر در تاسیسات مخصوصا مناسب AMS در شهرهای کانبرا (آهن-60) استرالیا و سیدنی (پلوتونیوم-244) جستجو خواهند کرد.

برای این منظور، او تعدادی نمونه از ماه را از آژانس فضایی آمریکا ناسا دریافت کرده است .

اندازه گیری های موازی نیز در HZDR انجام می شود. این نمونه‌های منحصربه‌فرد به ما این امکان را می‌دهند که بینش‌های جدیدی در مورد انفجارهای ابرنواختر در نزدیکی زمین و همچنین سنگین‌ترین عناصر کهکشان ما که از طریق این فرآیندها و سایر فرآیندها شکل می‌گیرند به دست آوریم.»

مرجع: “رادیوایزوتوپ های اعماق دریا و ماه از انفجارهای اخترفیزیکی نزدیک” توسط برایان دی فیلدز و آنتون والنر، سپتامبر 2023، بررسی سالانه علوم هسته ای و ذرات .
DOI: 10.1146/annurev-nucl-011823-045541