O enigma do Ferro-60: decodificando explosões cósmicas na Terra

Procure testemunhas de eventos astrofísicos próximos à Terra.

Quando grandes estrelas ou corpos celestes explodem perto da Terra, os seus detritos podem atingir o nosso sistema solar. Evidências desses eventos cósmicos são encontradas na Terra e na Lua, detectáveis ​​através de espectrometria de massa com acelerador (AMS). Uma visão geral desta emocionante pesquisa foi publicada recentemente na revista científica Revisão Anual da Ciência Nuclear e de Partículas pelo professor Anton Wallner do Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), que em breve planeja avançar de forma decisiva neste promissor ramo de pesquisa com a nova instalação AMS ultrassensível “HAMSTER”.

Em seu artigo, o físico do HZDR Anton Wallner e o colega Prof. Brian D. Fields da Universidade de Illinois em Urbana, EUA, fornecem uma visão geral das explosões cósmicas próximas à Terra, com foco particular em eventos que ocorreram três e, respectivamente, sete milhões anos atrás.

“Felizmente, estes eventos ainda estavam suficientemente distantes, por isso provavelmente não tiveram impacto significativo no clima da Terra nem tiveram efeitos importantes na biosfera. No entanto, as coisas ficam realmente desconfortáveis ​​quando explosões cósmicas ocorrem a uma distância de 30 anos-luz ou menos”, explica Wallner. Convertido na unidade astrofísica parsecisso corresponde a menos de oito a dez parsecs.

Depois que estrelas massivas queimam todo o seu combustível, seus núcleos colapsam em uma massa ultradensa. Estrêla de Neutróns ou um buraco negro, enquanto, ao mesmo tempo, o gás quente é ejetado para fora em alta velocidade. Uma grande parte do gás e da poeira finamente dispersos entre as estrelas é levada por uma onda de choque em expansão. Como um balão gigante com saliências e amolgadelas, este envelope também varre qualquer material já presente no espaço. Depois de muitos milhares de anos, os restos de uma supernova expandiram-se até um diâmetro de vários 10 parsecs, espalhando-se cada vez mais lentamente até que o movimento finalmente cessa.

Medições de espectrometria de massa do acelerador (AMS) desta crosta de ferromanganês do Oceano Pacífico revelaram ferro-60 interestelar, manganês-53 e plutônio-244. Estão incluídos átomos que datam de mais de 20 milhões de anos. A moeda como balança tem um diâmetro de 3,2 cm. Crédito: HZDR

Uma explosão próxima tem o potencial de perturbar gravemente a biosfera da Terra e causar uma extinção em massa semelhante ao impacto do asteróide há 66 milhões de anos. Os dinossauros e muitos outros animais espécies foi vítima desse evento. “Se considerarmos o período desde a formação do sistema solar, que se estende por bilhões de anos, não se pode descartar explosões cósmicas muito próximas”, enfatiza Wallner.

No entanto, as supernovas só ocorrem em estrelas muito pesadas com mais de oito a dez vezes a massa do nosso Sol. Essas estrelas são raras. Um dos candidatos mais próximos deste tamanho é a supergigante vermelha Betelgeuse, na constelação de Orion, localizada a uma distância segura de cerca de 150 parsecs do nosso sistema solar.

Produção de isótopos interestelares

Muitos novos átomos são gerados durante explosões cósmicas ou pouco antes e durante a supernova – entre eles também vários átomos radioativos. Wallner está particularmente interessado no isótopo radioativo de ferro com massa atômica de 60. Cerca de metade desses isótopos, abreviadamente chamados de ferro-60, se transformaram em um isótopo estável de níquel após 2,6 milhões de anos. Portanto, todo o ferro-60 que estava presente na formação da Terra, há cerca de 4.500 milhões de anos, desapareceu há muito tempo.

“O Ferro-60 é extremamente raro na Terra porque, por meios naturais, não é produzido em quantidades significativas. No entanto, é produzido em grandes quantidades pouco antes de ocorrer uma supernova. Se este isótopo aparecer agora em sedimentos do fundo do oceano ou em material da superfície da Lua, provavelmente veio de uma supernova ou de outro processo semelhante no espaço que ocorreu perto da Terra há apenas alguns milhões de anos”, resume Wallner. .

O físico do HZDR, Prof. Anton Wallner, é especialista na busca de matéria interestelar usando espectrometria de massa com acelerador (AMS). Wallner e os seus colegas na Austrália estão atualmente à procura de mais isótopos cósmicos – em Canberra ele está à procura de átomos de Fe-60, em Sydney, de átomos de PU-244. Para este fim, ele recebeu uma série de amostras lunares da agência espacial norte-americana NASA. Crédito: ANU

O mesmo se aplica ao isótopo de plutônio com massa atômica de 244. No entanto, esse plutônio-244 é mais provavelmente gerado pela colisão de estrelas de nêutrons do que por supernovas. Assim, é um indicador da nucleossíntese de elementos pesados. Após um período de 80 milhões de anos, cerca de metade do isótopo do plutónio-244 transformou-se noutros elementos. Portanto, o plutônio-244, de decomposição lenta, é, além do ferro-60, outro indicador de eventos galácticos e da produção de novos elementos nos últimos milhões de anos.

“A frequência exacta, onde e em que condições estes elementos pesados ​​são produzidos é actualmente objecto de intenso debate científico. O plutônio-244 também requer eventos explosivos e, segundo a teoria, é produzido de forma semelhante aos elementos ouro ou platina, que sempre ocorreram naturalmente na Terra, mas hoje consistem em átomos estáveis”, explica Wallner.

Partículas de poeira como naves de carga cósmica

Mas como é que estes isótopos chegam à Terra? Os átomos de ferro-60 ejetados pela supernova gostam de se reunir em partículas de poeira. O mesmo acontece com os isótopos de plutônio-244, que possivelmente foram criados em outros eventos e varridos pelo envelope em expansão da supernova. Após explosões cósmicas a uma distância de mais de dez, mas menos de 150 parsecs, segundo a teoria, o vento solar e o campo magnético da heliosfera impedem que átomos individuais cheguem à Terra. No entanto, os átomos de ferro-60 e plutónio-244 presos nas partículas de poeira continuam a voar em direção à Terra e à Lua, onde podem eventualmente chegar à superfície.

Mesmo com uma supernova ocorrendo dentro do chamado “raio de destruição” de menos de dez parsecs, nem mesmo um micrograma de matéria do envelope pousará em cada centímetro quadrado. Na verdade, apenas poucos átomos de ferro-60 por centímetro quadrado chegam à Terra todos os anos. Isto representa um enorme desafio para “investigadores” como o físico Anton Wallner: dentro de uma amostra de sedimento de um grama, talvez alguns milhares de átomos de ferro-60 estejam distribuídos como agulhas num palheiro entre bilhões de bilhões de átomos de ferro onipresentes e estáveis ​​com a estrutura atômica. massa de 56. Além disso, mesmo o método de medição mais sensível pode detectar apenas cada cinco milésimas partículas, ou seja, no máximo apenas alguns átomos de ferro-60 em uma amostra de medição típica.

Essas concentrações extremamente baixas só podem ser determinadas com Espectrometria de Massa com Acelerador, AMS abreviado. Uma dessas instalações, o Dresden AMS (DREAMS), está localizada no HZDR, e em breve será acompanhada pelo Helmholtz Accelerator Mass Spectrometer Tracing Environmental Radionuclides (HAMSTER). Dado que as instalações da AMS em todo o mundo são concebidas de forma diferente, as várias instalações podem complementar-se na procura de isótopos raros provenientes de explosões de supernovas.

20 anos para apenas mil átomos de ferro-60

Isótopos do mesmo elemento, mas com massas diferentes, como o ferro-56 que ocorre naturalmente, são removidos com filtros de massa. Átomos de outros elementos com a mesma massa do objeto alvo ferro-60, por exemplo, o níquel-60 que ocorre naturalmente, também interferem. Mesmo após uma preparação química muito complexa das amostras, elas ainda são bilhões de vezes mais abundantes que o ferro-60 e devem ser separadas em um acelerador especial usando métodos de física nuclear.

No final, talvez cinco átomos individuais de ferro-60 sejam identificados num processo de medição que dura várias horas. Um trabalho pioneiro na detecção de ferro-60 foi conduzido na TU Munique. Atualmente, porém, Camberra, no Universidade Nacional Australiana é a única instalação existente em todo o mundo que é sensível o suficiente para realizar tais medições.

No total, apenas cerca de mil átomos de ferro-60 foram medidos nos últimos 20 anos. Para o plutónio-244 interestelar, que ocorre em concentrações mais de 10.000 vezes mais baixas, apenas dados para átomos individuais estiveram disponíveis durante muito tempo. Só recentemente foi possível determinar cerca de cem átomos de plutónio-244 numa infra-estrutura especializada em Sydney – semelhante à instalação HAMSTER actualmente em desenvolvimento no HZDR.

No entanto, apenas algumas amostras são adequadas para investigação, que funcionam como arquivos para preservar estes átomos vindos do espaço durante milhões de anos. Amostras da superfície da Terra, por exemplo, são rapidamente “diluídas” por processos geológicos. Sedimentos e crostas do fundo do mar, que se formam lentamente e sem serem perturbados no fundo do oceano, são ideais. Alternativamente, amostras da superfície lunar são adequadas porque os processos disruptivos dificilmente são um problema.

Numa viagem de investigação até ao início de Novembro de 2023, Wallner e os seus colegas irão procurar outros isótopos cósmicos em instalações particularmente adequadas da AMS nas cidades australianas de Canberra (ferro-60) e Sydney (plutónio-244). Para este efeito, ele recebeu uma série de amostras lunares da agência espacial dos EUA NASA.

“Medições paralelas também estão ocorrendo no HZDR. Estas amostras únicas permitir-nos-ão obter novos conhecimentos sobre explosões de supernovas perto da Terra, mas também sobre os elementos mais pesados ​​da nossa galáxia que são formados através destes e de outros processos”, Wallner tem a certeza.

Referência: “Radioisótopos lunares e do fundo do mar de explosões astrofísicas próximas”, por Brian D. Fields e Anton Wallner, setembro de 2023, Revisão Anual da Ciência Nuclear e de Partículas.
DOI: 10.1146/annurev-nucl-011823-045541