追踪近地宇宙爆炸

拓牛李强

来自太平洋的铁锰结壳的加速器质谱测量揭示了星际铁-60、锰-53和钚-244。其中包括2000多万年前的原子。这枚硬币的直径为3.2厘米。信用:HZDR

（）据德国亥姆霍兹研究中心协会：当大质量恒星或其他恒星物体在地球的宇宙邻居中爆炸时，喷射出的碎片也可以到达我们的太阳系。这种事件的痕迹在地球或月球上都可以找到，并且可以用加速器质谱(简称AMS)检测到。

Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf(HZDR)的Anton Wallner教授在《核与粒子科学年度回顾》杂志上概述了这项令人兴奋的研究，他很快计划用新的超灵敏AMS设施仓鼠决定性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和他的同事Brian D. Fields教授(来自美国伊利诺伊大学厄巴纳分校)概述了近地宇宙爆炸，特别关注分别发生在300万和700万年前的事件。

“幸运的是，这些事件仍然足够遥远，所以它们可能不会显著影响地球的气候或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，”沃纳解释道。转换成天体物理单位秒差距，这相当于少于8到10秒差距。

一旦大质量恒星燃尽了所有的燃料，它们的核心就会坍缩成超密度中子星或黑洞，与此同时，热气会以高速向外喷射。散布在恒星之间的气体和尘埃的大部分被膨胀的冲击波带走了。

就像一个有凹凸不平的巨型气球一样，这个包层也扫除了太空中已经存在的任何物质。几千年后，一颗超新星的残余物已经膨胀到几十秒差距的直径，扩散速度越来越慢，直到运动最终停止。

附近的爆炸有可能严重扰乱地球的生物圈，并导致类似6600万年前小行星撞击的大规模灭绝。恐龙和许多其他动物物种成为了那次事件的受害者。“如果我们考虑太阳系形成以来跨越数十亿年的时间，不能排除非常接近的宇宙爆炸，”沃纳强调说。

然而，超新星只出现在质量超过太阳八到十倍的非常重的恒星中。这样的明星很少见。这个尺寸最接近的候选者之一是猎户座中的红巨星参宿四，它距离我们的太阳系大约150秒差距的安全距离。

星际同位素的生产

许多新原子是在宇宙爆炸期间或超新星爆发前不久或期间产生的——其中也有许多放射性原子。瓦尔纳对原子质量为60的放射性铁同位素特别感兴趣。大约一半的这些同位素，简称为铁-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在地球上极其罕见，因为在自然条件下，它的产量并不显著。然而，它是在超新星爆发前大量产生的。“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，”沃纳说。

这同样适用于原子质量为244的钚同位素。然而，这种钚-244更有可能是由中子星碰撞而不是超新星产生的。因此，它是重元素核合成的指示器。8000万年后，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是过去数百万年中星系事件和新元素产生的另一个指标。

“这些重元素的确切产生频率、地点和条件是目前激烈的科学争论的主题。沃纳解释说:“钚-244也需要爆炸事件，根据理论，其产生类似于金或铂元素，这些元素在地球上总是自然存在，但今天由稳定的原子组成。”

作为宇宙货船的尘埃粒子

但是这些同位素最初是如何到达地球的呢？超新星喷射出的铁-60原子喜欢聚集在尘埃粒子中。钚-244同位素也是如此，它们可能是在其他事件中产生的，并被超新星的膨胀包层所吞噬。

在距离超过十秒但小于150秒差距的宇宙爆炸后，根据理论，太阳风和日光层的磁场阻止了单个原子到达地球。然而，尘粒中的铁-60和钚-244原子继续飞向地球和月球，最终会滴落到表面。

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，每年只有非常少的铁-每平方厘米60个原子到达地球。

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，可能有几千个铁-60原子像大海捞针一样分布在数十亿倍数十亿个无处不在的稳定铁原子中，原子质量为56。除此之外，即使是最灵敏的测量方法也只能检测到每五千个粒子中的一个，也就是说，在一个典型的测量样品中最多只能检测到几个铁-60原子。

这种极低的浓度只能用加速器质谱(简称AMS)来测定。其中一个设施，Dresden AMS (DREAMS)位于HZDR，很快将加入追踪环境放射性核素的Helmholtz加速器质谱仪(仓鼠)。由于全球各地的AMS设施设计不同，各种设施在搜寻超新星爆炸的稀有同位素时可以互相补充。

1000个铁60原子要20年

相同元素但质量不同的同位素，如天然存在的铁-56，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，例如天然存在的镍-60，也会产生干扰。即使经过非常复杂的样品化学制备，它们仍然比铁-60丰富数十亿倍，必须在特殊的加速器设施中使用核物理方法进行分离。

最后，在持续几个小时的测量过程中，可能会识别出五个单独的铁-60原子。慕尼黑工业大学进行了铁-60探测的开创性工作。然而，目前澳大利亚国立大学堪培拉分校是世界上唯一一所灵敏度足以进行这种测量的现有机构。

在过去的20年里，总共只测量了大约1000个铁60原子。对于星际钚-244来说，它的浓度要低10，000倍以上，长期以来只有单个原子的数据。直到最近，才有可能在悉尼的一个专门的基础设施中确定大约100个钚-244原子——类似于HZDR目前正在开发的仓鼠设施。

然而，只有某些样本适合调查，这些样本充当档案馆，将这些来自太空的原子保存数百万年。例如，来自地球表面的样本会被地质作用迅速“稀释”。深海的沉积物和结壳是理想的，它们在海底不受干扰地慢慢形成。或者，来自月球表面的样本是合适的，因为破坏性过程几乎不是问题。

在2023年11月初之前的研究之旅中，沃纳和他的同事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，他已经从美国航天局收到了一些月球样品。

“平行测量也在HZDR进行。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，同时也对我们星系中通过这些和其他过程形成的最重元素有新的认识。