Науковці знайшли на дні океану чимало частинок радіоактивного ізотопу плутонію-244. Він не є результатом людської діяльності, а прибув на нашу планету з космосу. Причиною його появи називають спалах кілонової, тобто зіткнення двох нейтронних зір.
Датування космічного вибуху та його причини
Більш ніж через 100 млн років після гігантського космічного вибуху на Землю досі сиплються космічні уламки. До такого висновку дійшла міжнародна група науковців у дослідженні, опублікованому цього тижня в журналі Nature Astronomy, на основі вимірювань рідкісних ізотопів у повільно утворюваній феромарганцевій кірці, видобутій із глибин Тихого океану. Дослідження проводилося під керівництвом доктора Домініка Колла та професора Антона Валлнера в Центрі імені Гельмгольца у Дрездені-Россендорфі (HZDR) у Німеччині за участю HZDR у співпраці з ANSTO та ANU в Канберрі.
Характерною ознакою цього космічного вибуху є виявлення всього кількох сотень атомів найбільш довгоживучого радіоізотопу плутонію-244, з періодом напіврозпаду 81 млн років, знайденого в одному кілограмі земної кори.
«Відсутність радіоізотопу кюрію-247, період напіврозпаду якого становить 16 млн років і який також утворився під час вибуху, свідчить, що ця подія сталася дуже давно. Водночас вона не могла відбутися більш ніж приблизно мільярд років тому, адже в такому разі виявити плутоній-244 (Pu-244) також було б неможливо», — пояснив д-р Майкл Хочкіс, який проводив вимірювання на прискорювачі «Вега» в Центрі прискорювальної науки ANSTO і є співавтором статті.
То що ж це був за космічний вибух? Найімовірніше, це злиття двох нейтронних зір, яке спричинило вибух кілонової — одного з найяскравіших об’єктів у галактиці на момент події. Вважається, що саме злиття нейтронних зір є причиною утворення та поширення приблизно половини важких елементів, які сьогодні існують у Всесвіті.
Ключовим фактором, що дозволив отримати ці висновки, стала розробка найчутливішого у світі приладу для виявлення рідкісних ізотопів важких елементів, зокрема плутонію та кюрію, які аналізувалися в цьому дослідженні.
Аналіз океанічної кірки показує наявність плутонію-244
У 1976 році на дні Тихого океану на глибині 4830 м знайшли шматок феромарганцевої кірки вагою 1,9 кг. Згодом вилучили три керни, що дозволило скласти профілі віку та глибини у трьох точках земної кори. Їхнє датування проводилося за допомогою ізотопу берилію-10 (період напіврозпаду — 1,5 млн років). У одному з кернів виміряли ізотоп заліза-60 за допомогою прискорювача HIAF в Австралійському національному університеті (ANU) у Канберрі. Земна кора зростає настільки повільно, що кожен керн, завтовшки до 3 см, охоплював період у понад 10 млн років.
Решту кори візуалізували за допомогою комп’ютерної рентгенівської томографії та залили у смолу. Це дозволило ретельно вирізати кору, шар за шаром, за допомогою комп’ютерно-керованого верстата, щоб отримати дев’ять зразків по 90 г, кожен з яких відповідає приблизно мільйону років росту. На основі попередніх досліджень очікувалося, що навіть у 90 г породи в кожному шарі можна буде виявити менше 100 атомів плутонію-244.
Кожен зразок розділили на три частини та піддали обробці з метою вилучення плутонію. Ці зразки доставили до Центру прискорювальної науки для проведення ізотопного аналізу плутонію. Незадовго до завершення обробки науковці центру розробили методику, що дозволила максимально підвищити чутливість їхнього методу підрахунку атомів — прискорювальної мас-спектрометрії.
Аналіз вмісту заліза-60 виявив раніше відомі сліди наднових, що сталися 2 та 7 млн років тому, з безпрецедентною точністю.
Чому плутоній та кюрій змінили картину
Деякі експерти очікували, що плутоній-244 демонструватиме аналогічну динаміку, що й залізо-60, із піками також у 2 та 7 млн років. Такий результат свідчив би про те, що важкі елементи утворюються під час вибухів наднових. Однак це не так — навпаки, ті кілька атомів плутонію-244, що були виявлені, розподілилися досить рівномірно по всіх шарах. Це показало, що плутоній надходив на Землю безперервним потоком, незалежно від подій, пов’язаних із надновими.
Щоб краще зрозуміти значення цього результату, Колл повернувся до зразків розчинів, з яких він раніше вилучив плутоній. З цих зразків він виділив ще один довгоживучий трансурановий елемент — кюрій. Період напіврозпаду кюрій-247 становить 16 млн років: це довго у порівнянні з віком зразків з ядра, але значно менше, ніж період напіврозпаду Pu-244, який дорівнює 81 млн років.
Згідно з теорією нуклеосинтезу (утворення елементів), приблизно половина важких елементів, присутніх у Всесвіті, може утворюватися лише під час космічних вибухових подій у процесі швидкого захоплення нейтронів (r-процес). Решта важких елементів утворюється в зорях. Відомо, що r-процес відбувається під час дуже рідкісних космічних подій — кілонових, які виникають під час злиття двох нейтронних зір.
Варто зазначити, що актиніди, зокрема торій та уран, а також трансуранові елементи, такі як плутоній та кюрій, можуть утворюватися лише в результаті r-процесу. Теорії нуклеосинтезу в r-процесі припускають, що як кюрій-247, так і плутоній-244 утворюються одночасно, приблизно в рівних пропорціях.
У пошуках доказів кілонової
Зразки кюрію були проаналізовані в ANSTO. Переконливих доказів походження кюрію з міжзоряного простору не виявили.
«Чутливість приладу не викликала сумнівів — він навіть краще виявляє атоми кюрію, ніж плутонію. Єдиним можливим поясненням є те, що космічний вибух, який спричинив утворення плутонію, стався так давно, що кюрій уже розпався практично до нуля», — сказав Хотчкіс.
Ретельна оцінка даних показала, що гіпотетична подія кілонова відбулася понад 100 млн років тому. Наразі дослідницька група намагається дізнатися більше. Вони припускають, що десь на Землі можуть існувати давні гірські породи, які підтверджують факт цього r-процесу та наявність пилу, що потрапив у міжзоряний простір. Або, можливо, докази можна знайти в пилу, який мільйони років лежав на поверхні Місяця, не зазнавши жодних змін.
За матеріалами phys.org
