Seguimiento de explosiones cósmicas cerca de la Tierra

Cuando estrellas masivas u otros objetos estelares explotan en el vecindario cósmico de la Tierra, los escombros expulsados ​​también pueden llegar a nuestro sistema solar. Se encuentran rastros de tales eventos en la Tierra o en la Luna y pueden detectarse mediante espectrometría de masas con acelerador, o AMS para abreviar.

Una descripción general de esta interesante investigación se proporciona en la revista. Revisión anual de la ciencia nuclear y de partículas por el prof. Anton Wallner del Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), que pronto con la nueva instalación ultrasensible AMS HAMSTER planea avanzar decisivamente en esta prometedora rama de la investigación.

En su artículo, el físico del HZDR Anton Wallner y su colega el Prof. Brian D. Fields, de la Universidad de Illinois en Urbana, EE.UU., ofrece una visión general de las explosiones cósmicas cercanas a la Tierra, centrándose especialmente en los acontecimientos que ocurrieron hace 3 millones y, respectivamente, hace 7 millones de años.

“Afortunadamente, estos eventos todavía estaban lo suficientemente lejos como para que probablemente no hayan tenido un impacto significativo en el clima de la Tierra ni efectos importantes en la biosfera. Sin embargo, las cosas se ponen realmente incómodas cuando se producen explosiones cósmicas a una distancia de 30 años luz o menos», explica Wallner. Convertido a la unidad astrofísica pársec, esto equivale a menos de ocho a diez pársecs.

Después de que las estrellas masivas queman todo su combustible, sus núcleos colapsan para formar una estrella de neutrones ultradensa o un agujero negro, mientras que al mismo tiempo se expulsa gas caliente hacia el exterior a gran velocidad. Una gran parte del gas y polvo finamente dispersos entre las estrellas es arrastrado por una onda de choque en expansión.

Como un globo gigante con protuberancias y abolladuras, esta envoltura también barre cualquier material que ya esté presente en el espacio. Después de muchos miles de años, los restos de una supernova se han expandido hasta un diámetro de varios 10 pársecs, extendiéndose cada vez más lentamente hasta que finalmente cesa el movimiento.

Una explosión cercana tiene el potencial de perturbar gravemente la biosfera de la Tierra y provocar una extinción masiva similar al impacto de un asteroide hace 66 millones de años. Los dinosaurios y muchas otras especies animales fueron víctimas de este evento. “Si consideramos el período de tiempo transcurrido desde la formación del sistema solar, que abarca miles de millones de años, no podemos descartar explosiones cósmicas muy cercanas”, subraya Wallner.

Sin embargo, las supernovas sólo ocurren en estrellas muy pesadas con más de ocho a diez veces la masa de nuestro Sol. Estas estrellas son raras. Uno de los candidatos más cercanos de este tamaño es la supergigante roja Betelgeuse en la constelación de Orión, ubicada a una distancia segura de unos 150 pársecs de nuestro sistema solar.

Producción de isótopos interestelares.

Durante las explosiones cósmicas o justo antes y durante las supernovas se generan muchos átomos nuevos, entre ellos también varios átomos radiactivos. Wallner está particularmente interesado en el isótopo radiactivo del hierro con una masa atómica de 60. Aproximadamente la mitad de estos isótopos, llamados abreviadamente hierro-60, se han transformado en un isótopo estable de níquel después de 2,6 millones de años. Por tanto, todo el hierro-60 que estuvo presente en la formación de la Tierra hace unos 4.500 millones de años hace tiempo que desapareció.

«El hierro-60 es extremadamente raro en la Tierra porque no se produce naturalmente en cantidades significativas. Sin embargo, se produce en grandes cantidades poco antes de que se produzca una supernova. Si este isótopo aparece ahora en los sedimentos oceánicos del fondo o en «El material de la superficie de la Luna probablemente provino de una supernova u otro proceso similar en el espacio que ocurrió cerca de la Tierra hace apenas unos pocos millones de años», dice Wallner.

Lo mismo se aplica al isótopo de plutonio con una masa atómica de 244. Sin embargo, este plutonio-244 se genera más probablemente por la colisión de estrellas de neutrones que por supernovas. Por tanto, es un indicador de la nucleosíntesis de elementos pesados. Después de un período de 80 millones de años, aproximadamente la mitad del isótopo plutonio-244 se transformó en otros elementos. Por tanto, el plutonio-244, en lenta descomposición, es, además del hierro-60, otro indicador de los acontecimientos galácticos y de la producción de nuevos elementos en el último millón de años.

«Actualmente es objeto de un intenso debate científico exactamente con qué frecuencia, dónde y bajo qué condiciones se producen estos elementos pesados. El plutonio-244 también requiere eventos explosivos y, según la teoría, se produce de manera similar a los elementos oro o platino. , que siempre ha existido de forma natural en la Tierra, pero que hoy está formado por átomos estables», explica Wallner.

Partículas de polvo como buques de carga cósmicos.

Pero, ¿cómo llegan estos isótopos a la Tierra? A los átomos de hierro-60 expulsados ​​por la supernova les gusta agruparse en partículas de polvo. Lo mismo ocurre con los isótopos de plutonio-244, que posiblemente fueron creados en otros eventos y arrastrados por la envoltura en expansión de la supernova.

Según la teoría, después de explosiones cósmicas a una distancia de más de diez pero menos de 150 pársecs, el viento solar y el campo magnético de la heliosfera impiden que los átomos individuales lleguen a la Tierra. Sin embargo, los átomos de hierro-60 y plutonio-244 atrapados en las partículas de polvo continúan volando hacia la Tierra y la Luna, donde eventualmente pueden llegar a la superficie.

Incluso si una supernova se produce dentro del llamado “radio de destrucción” de menos de diez pársecs, ni siquiera un microgramo de materia envolvente caerá en cada centímetro cuadrado. De hecho, sólo unos pocos átomos de hierro-60 por centímetro cuadrado llegan a la Tierra cada año.

Esto presenta un enorme desafío para «investigadores» como el físico Anton Wallner: dentro de una muestra de sedimento de un gramo, tal vez unos pocos miles de átomos de hierro-60 estén distribuidos como agujas en un pajar entre miles de millones de miles de millones de átomos de hierro ubicuos y estables con la masa atómica es 56. Además, incluso el método de medición más sensible sólo puede detectar cada cinco milésimas de partícula, es decir, como máximo, unos pocos átomos de hierro-60 en una muestra de medición típica.

Estas concentraciones extremadamente bajas sólo pueden determinarse con espectrometría de masas con acelerador, abreviado AMS. Una de esas instalaciones, el Dresden AMS (DREAMS), está ubicada en el HZDR, y pronto se le unirá el espectrómetro de masas del acelerador Helmholtz que rastrea radionucleidos ambientales (HAMSTER). Debido a que las instalaciones de AMS en todo el mundo están diseñadas de manera diferente, las distintas instalaciones pueden complementarse entre sí en la búsqueda de isótopos raros de explosiones de supernovas.

20 años para sólo 1.000 átomos de hierro-60

Los isótopos del mismo elemento pero de diferentes masas, como el hierro-56 natural, se eliminan con filtros de masa. También interfieren los átomos de otros elementos con la misma masa que el objeto objetivo de hierro-60, por ejemplo el níquel-60 natural. Incluso después de una preparación química muy compleja de las muestras, éstas siguen siendo miles de millones de veces más abundantes que el hierro-60 y deben separarse en un acelerador especial utilizando métodos de física nuclear.

Al final, quizás se identificarán cinco átomos individuales de hierro-60 en un proceso de medición que durará varias horas. En la Universidad Técnica de Múnich se llevó a cabo un trabajo pionero sobre la detección de hierro-60. Sin embargo, actualmente Canberra, en la Universidad Nacional de Australia, es la única instalación existente en todo el mundo que es lo suficientemente sensible para realizar tales mediciones.

En total, en los últimos 20 años sólo se han medido unos mil átomos de hierro-60. Para el plutonio-244 interestelar, que se encuentra en concentraciones más de 10.000 veces inferiores, desde hace tiempo sólo se dispone de datos para átomos individuales. Sólo recientemente fue posible determinar alrededor de cien átomos de plutonio-244 en una instalación especializada en Sydney, similar a la instalación HAMSTER que actualmente se está desarrollando en HZDR.

Sin embargo, sólo unas pocas muestras son aptas para la investigación y sirven como archivos para preservar estos átomos del espacio durante millones de años. Las muestras de la superficie de la Tierra, por ejemplo, se “diluyen” rápidamente debido a procesos geológicos. Los sedimentos y las costras del fondo marino, que se forman lentamente y sin perturbaciones en el fondo del océano, son ideales. Alternativamente, las muestras de la superficie lunar son adecuadas porque es poco probable que los procesos disruptivos sean un problema.

En un viaje de investigación que durará hasta principios de noviembre de 2023, Wallner y sus colegas buscarán otros isótopos cósmicos en instalaciones AMS especialmente adecuadas en las ciudades australianas de Canberra (hierro-60) y Sydney (plutonio-244). Para ello recibió una serie de muestras lunares de la agencia espacial estadounidense NASA.

«En el HZDR también se están realizando mediciones paralelas. Estas muestras únicas nos permitirán adquirir nuevos conocimientos sobre las explosiones de supernovas cerca de la Tierra, pero también sobre los elementos más pesados ​​de nuestra galaxia que se forman a través de estos y otros procesos», afirma Wallner.