解开铁-60的谜团：地球上的宇宙爆炸遗迹

天文学家正在寻找近地天体物理事件的"目击者"。当大型恒星或天体在地球附近爆炸时，它们的碎片可能会到达我们的太阳系。地球和月球上都有这些宇宙事件的证据，可以通过加速器质谱仪（AMS）探测到。 德累斯顿-罗森多夫亥姆霍兹中心（HZDR）的 Anton Wallner 教授最近在科学杂志《核与粒子科学年度评论》上发表了一篇关于这项激动人心的研究的综述。

在他们的论文中，HZDR 的物理学家 Anton Wallner 和同事、美国伊利诺伊大学厄巴纳分校的 Brian D. Fields 教授概述了近地宇宙爆炸，并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，这些事件距离地球还足够遥远，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 光年或更小的距离时，情况就会变得非常不妙，"沃尔纳解释说。换算成天体物理单位parsec，这相当于不到八到十个parsecs。

大质量恒星一旦燃尽所有燃料，其内核就会坍缩成超高密度的中子星或黑洞，与此同时，高温气体会以极快的速度向外喷射。分散在恒星之间的大部分气体和尘埃被膨胀的冲击波带走。这个包膜就像一个巨大的气球，上面有凹凸不平的地方，它还会卷走太空中已经存在的任何物质。经过数千年后，超新星的残余物已经膨胀到直径达 10 皮秒，并越来越缓慢地扩散开来，直到运动最终停止。

对来自太平洋的铁锰结壳进行的加速器质谱（AMS）测量发现了星际铁-60、锰-53和钚-244。其中包括可追溯到 2000 多万年前的原子。作为刻度的硬币直径为 3.2 厘米。资料来源：HZDR

附近的爆炸有可能严重破坏地球的生物圈，造成类似于 6600 万年前小行星撞击的大灭绝。恐龙和许多其他动物物种都是那次事件的受害者。沃尔纳强调说："如果我们考虑到太阳系形成以来的时间跨度达数十亿年，那么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 倍的重型恒星中。这种恒星非常罕见。最接近这种大小的恒星之一是猎户座的红色超巨星参宿四，它与太阳系的安全距离约为 150 皮秒。

星际同位素的产生

在宇宙爆炸或超新星爆炸前不久和爆炸过程中会产生许多新原子，其中也包括一些放射性原子。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 在地球上极为罕见，因为在自然界中，铁-60 的产量并不多。然而，在超新星发生之前，它却会大量产生。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，那么它很可能来自于几百万年前发生在地球附近的超新星或其他类似的太空过程，"沃尔纳总结道。

HZDR 物理学家 Anton Wallner 教授是利用加速器质谱仪（AMS）寻找星际物质的专家。沃尔纳和他在澳大利亚的同事目前正在寻找更多的宇宙同位素--在堪培拉，他正在寻找 Fe-60 原子，在悉尼，他正在寻找 PU-244 原子。为此，他从美国国家航空航天局（NASA）获得了一些月球样本。资料来源：澳大利亚国立大学

原子质量为 244 的钚同位素也是如此。不过，这种钚244更有可能是由中子星碰撞产生的，而不是由超新星产生的。因此，它是重元素核合成的指标。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，除铁-60 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。

"这些重元素究竟是多久、在哪里以及在什么条件下产生的，目前还存在激烈的科学争论。钚 244 的产生也需要爆炸性事件，根据理论，其产生过程类似于金或铂元素的产生过程，这些元素一直在地球上自然存在，但如今由稳定的原子组成，"沃尔纳解释说。

作为"宇宙货船"的尘埃粒子

但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，并被超新星膨胀的包膜卷走。根据理论，在距离超过 10 但小于 150 皮秒的宇宙爆炸后，太阳风和日光层的磁场会阻止单个原子到达地球。然而，被困在尘埃粒子中的铁-60和钚-244原子会继续飞向地球和月球，最终会涓涓细流地到达月球表面。

即使超新星发生在不到 10 皮秒的所谓"杀伤半径"内，也不会有哪怕一微克的物质从包层落到每平方厘米的地面上。事实上，每年每平方厘米只有极少量的铁-60原子到达地球。这给物理学家安东-瓦尔纳这样的"调查者"带来了巨大的挑战： 在一克的沉积物样本中，也许只有几千个铁-60 原子像大海捞针一样分布在数十亿个原子质量为 56 的无处不在的稳定铁原子中。此外，即使是最灵敏的测量方法，也只能检测到每五千个粒子，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。

这种极低的浓度只能通过加速器质谱法（简称 AMS）来测定。亥姆霍兹加速器质谱仪追踪环境放射性核素（HAMSTER）即将加入其中。由于全球各地的 AMS 设施设计各不相同，因此在寻找超新星爆炸产生的稀有同位素时，不同的设施可以相互补充。

用20年时间寻找1000个铁-60 原子

同种元素但质量不同的同位素，如天然存在的铁-56会被质量过滤器去除。与目标物铁-60 具有相同质量的其他元素的原子，例如天然存在的镍-60，也会受到干扰。即使对样本进行了非常复杂的化学制备，它们的含量仍然是铁-60 的数十亿倍，因此必须在特殊的加速器设施中利用核物理方法将它们分离出来。

最终，在持续数小时的测量过程中，也许只能识别出 5 个独立的铁-60 原子。探测铁-60 的开创性工作是在慕尼黑工业大学进行的。但目前，澳大利亚国立大学堪培拉分校是世界上唯一一个灵敏度足以进行此类测量的现有设施。

在过去 20 年中，总共只测量了大约1000个铁-60 原子。至于星际钚 244的浓度更是要低一万倍以上，长期以来只能获得单个原子的数据。直到最近，才有可能在悉尼的一个专门设施中测定大约一百个钚 244 原子--类似于目前正在 HZDR 开发的 HAMSTER 设施。

然而，只有某些样本适合进行研究，这些样本可以作为档案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过程迅速"稀释"。来自深海的沉积物和地壳在海底不受干扰的情况下缓慢形成，是理想的样本。另外，月球表面的样本也很合适，因为破坏过程几乎不成问题。

在 2023 年 11 月初之前的研究之旅中，瓦尔纳和他的同事们将在澳大利亚堪培拉（铁-60）和悉尼（钚-244）两座城市特别合适的 AMS 设施中寻找更多宇宙同位素。为此，他从美国国家航空航天局（NASA）获得了一些月球样本。同时，他还在 HZDR 进行测量。这些独特的样本将使我们能够对地球附近的超新星爆炸以及银河系中通过这些过程和其他过程形成的最重元素有新的认识。

编译来源：ScitechDaily