铁-60谜：解码地球上的宇宙爆炸

　　地球通过沉积物和月球样本中发现的铁60和钚244等独特同位素的痕迹，留下了附近超新星的痕迹。这些宇宙残余物是用加速器质谱等先进方法探测到的，它揭示了我们宇宙附近大质量恒星爆炸的历史。

　　当大型恒星或天体在地球附近爆炸时，它们的碎片可以到达我们的太阳系。这些宇宙事件的证据是在地球和月球上发现的，通过加速器质谱法(AMS)可以探测到。最近，赫姆霍兹-德累斯顿-罗森多夫中心(HZDR)的Anton Wallner教授在科学杂志《核与粒子科学年度评论》上发表了这项令人兴奋的研究的概述，他很快就计划用新的超灵敏的AMS设备“HAMSTER”果断地推进这一有前途的研究分支。

　　在他们的论文中，HZDR物理学家Anton Wallner和来自美国伊利诺伊大学的同事Brian D. Fields教授提供了近地宇宙爆炸的概述，特别关注分别发生在300万年前和700万年前的事件。

　　“幸运的是，这些事件仍然足够遥远，因此它们可能不会对地球气候产生重大影响，也不会对生物圈产生重大影响。然而，当宇宙爆炸发生在30光年或更短的距离时，事情就变得非常不舒服了，”沃尔纳解释说。换算成天体物理单位秒差距，这相当于不到8到10秒差距。

　　一旦大质量恒星燃烧完所有的燃料，它们的核心就会坍缩成超高密度的中子星或黑洞，与此同时，热气会以高速向外喷射。分散在恒星之间的气体和尘埃的很大一部分被膨胀的冲击波带走了。就像一个有凸起和凹痕的巨大气球一样，这个信封也会清除太空中已经存在的任何物质。几千年后，超新星的残骸膨胀到直径10个秒差距，扩散的速度越来越慢，直到运动最终停止。

　　加速器质谱(AMS)测量了来自太平洋的铁锰地壳，发现了星际铁-60、锰-53和钚-244。其中包括2000多万年前的原子。作为比例尺的硬币直径为3.2厘米。信贷:HZDR

　　附近的一次爆炸有可能严重破坏地球生物圈，导致类似于6600万年前小行星撞击地球的大灭绝。恐龙和许多其他动物物种成为了那次事件的受害者。沃尔纳强调说:“如果我们考虑到太阳系形成以来的几十亿年时间，就不能排除非常接近的宇宙爆炸。”

　　然而，超新星只发生在质量超过太阳8到10倍的非常重的恒星上。这样的星星很少见。这个尺寸最接近的候选者之一是猎户座中的红超巨星参宿四，它距离我们的太阳系约150秒差距。

　　星际同位素的产生

　　许多新的原子是在宇宙爆炸或超新星爆发前不久或期间产生的——其中也有一些放射性原子。沃尔纳对原子质量为60的放射性铁同位素特别感兴趣。这些同位素中大约有一半，简称铁-60，在260万年后变成了稳定的镍同位素。因此，大约45亿年前地球形成时存在的所有铁60早已消失。

　　“铁-60在地球上极为罕见，因为通过自然方式，它的产量并不大。然而，它是在超新星发生之前大量产生的。如果这种同位素现在出现在海底沉积物或月球表面的物质中，它可能来自超新星或几百万年前在地球附近发生的另一个类似的太空过程，”沃尔纳总结道。

　　HZDR物理学家Anton Wallner教授是使用加速器质谱(AMS)寻找星际物质的专家。沃尔纳和他在澳大利亚的同事们目前正在寻找更多的宇宙同位素——他在堪培拉寻找Fe-60原子，在悉尼寻找PU-244原子。为此，他从美国国家航空航天局(NASA)收到了一些月球样本。信贷:阿奴

　　这同样适用于原子质量为244的钚同位素。然而，这种钚-244更可能是由中子星碰撞产生的，而不是超新星。因此，它是重元素核合成的指示物。经过8000万年的时间，大约一半的钚-244同位素变成了其他元素。因此，除了铁-60之外，缓慢衰变的钚-244是银河系事件和过去数百万年新元素产生的另一个指标。

　　这些重元素究竟多久、在哪里、在什么条件下产生，目前是科学界激烈争论的主题。“钚-244也需要爆炸事件，根据理论，它的产生类似于金或铂元素，这两种元素在地球上一直是自然产生的，但今天由稳定的原子组成，”沃尔纳解释说。

　　尘埃粒子就像宇宙的货船

　　但这些同位素最初是如何到达地球的呢?超新星喷出的铁60原子喜欢聚集成尘埃颗粒。钚-244同位素也是如此，它们可能是在其他事件中产生的，并被超新星膨胀的外壳卷走了。根据理论，在距离大于10秒差距但小于150秒差距的宇宙爆炸之后，太阳风和日球层的磁场会阻止单个原子到达地球。然而，被困在尘埃颗粒中的铁-60和钚-244原子继续飞向地球和月球，在那里它们最终会滴落到月球表面。

　　即使超新星发生在小于10秒差距的所谓“杀伤半径”内，包络层中甚至没有一微克的物质会落在每平方厘米上。事实上，每年每平方厘米只有很少的铁60原子到达地球。这对像物理学家安东·沃尔纳这样的“研究人员”提出了巨大的挑战:在一克沉积物样本中，也许几千个铁60原子就像干草堆里的针一样，分布在数十亿个无处不在的、稳定的铁原子中，原子质量为56。最重要的是，即使是最灵敏的测量方法也只能检测到每5000个粒子，也就是说，在一个典型的测量样本中，最多只能检测到几个铁60原子。

　　如此低的浓度只能用加速器质谱法(简称AMS)测定。这些设施之一，德累斯顿AMS (DREAMS)，位于HZDR，不久将加入亥姆霍兹加速器质谱仪追踪环境放射性核素(HAMSTER)。由于全球各地的AMS设施设计不同，因此各种设施可以在寻找超新星爆炸中的稀有同位素方面相互补充。

　　用了20年才得到1000个铁60原子

　　相同元素但质量不同的同位素，比如天然存在的铁-56，可以用质量过滤器去除。与目标物体铁-60质量相同的其他元素的原子，例如自然产生的镍-60，也会产生干扰。即使在对样品进行非常复杂的化学制备之后，它们的含量仍然是铁-60的数十亿倍，必须在特殊的加速器设施中使用核物理方法分离。

　　最后，在持续数小时的测量过程中，可能会识别出5个单独的铁60原子。铁60探测的开创性工作是在慕尼黑工业大学进行的。然而，目前，澳大利亚国立大学堪培拉分校是世界上唯一一个足够灵敏的设施，可以进行这种测量。

　　在过去的20年里，总共只测量了大约1000个铁-60原子。对于星际中的钚-244，其浓度要低1万多倍，在很长一段时间里只有单个原子的数据可用。直到最近，才有可能在悉尼的一个专门的基础设施中测定大约100个钚-244原子——类似于HZDR目前正在开发的HAMSTER设施。

　　然而，只有某些样本适合进行研究，这些样本就像档案一样，将这些来自太空的原子保存了数百万年。例如，地球表面的样本会被地质过程迅速“稀释”。来自深海的沉积物和地壳在海底慢慢形成，不受干扰，是理想的选择。另外，从月球表面采集样本也很合适，因为破坏过程几乎不是个问题。

　　在一次直到2023年11月初的研究之旅中，沃尔纳和他的同事们将在澳大利亚城市堪培拉(铁-60)和悉尼(钚-244)特别合适的AMS设施中寻找更多的宇宙同位素。为此，他从美国宇航局收到了一些月球样本。

　　“HZDR也在进行平行测量。这些独特的样本将使我们对地球附近的超新星爆炸有新的认识，而且还可以了解我们银河系中最重的元素，这些元素是通过这些和其他过程形成的，”沃尔纳确信。

　　参考资料:《来自附近天体物理爆炸的深海和月球放射性同位素》，作者:Brian D. Fields和Anton Wallner, 2023年9月，《核与粒子科学年度评论》。DOI: 10.1146 / annurev -诊断- 011823 - 045541

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