Ένα μικρό κομμάτι πετρώματος που ανασύρθηκε από τον πυθμένα του Ειρηνικού Ωκεανού το 1976 προσφέρει στους επιστήμονες νέα στοιχεία για ένα αρχαίο κοσμικό συμβάν.
Πριν από περισσότερα από εκατό εκατομμύρια χρόνια, δύο αστέρες νετρονίων συγκρούστηκαν. Η ισχυρή έκρηξη κιλονόβα που προέκυψε έστειλε ένα «κύμα» μακρόβιων στοιχείων, όπως ισότοπα πλουτωνίου, μέσα στο διάστημα. Τελικά, αυτά τα αστρικά συντρίμμια έφτασαν στη Γη, βυθίστηκαν στον πάτο του ωκεανού και ενσωματώθηκαν σε ένα πέτρωμα σιδηρομαγγανίου.
Κρυμμένα εκεί μέσα βρίσκονταν μερικές εκατοντάδες άτομα ραδιοϊσοτόπων πλουτωνίου, τα οποία προσφέρουν τις ισχυρότερες ενδείξεις για το τι τα δημιούργησε και για το πόσο καιρό πριν συνέβη η σύγκρουση.
Το πλουτώνιο βρίσκεται υπό τη μορφή του ισοτόπου Pu-244, το οποίο έχει χρόνο ημιζωής 81,3 εκατομμύρια χρόνια. Αυτό βοήθησε μια ομάδα επιστημόνων από το ινστιτούτο Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf στη Γερμανία και ερευνητές από τον Οργανισμό Πυρηνικής Επιστήμης και Τεχνολογίας της Αυστραλίας (ANSTO) να τοποθετήσουν την εποχή της έκρηξης κοντά στα 100 εκατομμύρια χρόνια πριν.
Διαπίστωσαν επίσης ότι από το δείγμα έλειπε ένα άλλο στοιχείο που σχετίζεται με τη σύγκρουση: το κιούριο 247, το οποίο έχει χρόνο ημιζωής 16 εκατομμύρια χρόνια.
Η απουσία του ραδιοϊσοτόπου κιουρίου Cm-247, το οποίο επίσης παράγεται στην έκρηξη, μαρτυρά ότι το γεγονός συνέβη πριν από πάρα πολύ καιρό, σύμφωνα με τον Dr. Michael Hotchkis του ANSTO. Ωστόσο, δεν μπορεί να συνέβη πριν από περισσότερα από 1 δισεκατομμύριο χρόνια, καθώς σε μια τέτοια περίπτωση ούτε το Pu-244 θα ήταν πλέον ανιχνεύσιμο.
Γεωτρήσεις πυρήνων αποκαλύπτουν στοιχεία από μια κιλονόβα
Για να φτάσει στο κρυμμένο Pu-244 και να προσδιορίσει την ηλικία των υπολειμμάτων από τη συγχώνευση των αστέρων νετρονίων, η επιστημονική ομάδα πραγματοποίησε γεώτρηση σε τρία σημεία του πετρώματος και ξεκίνησε μια προσεκτική χημική ανάλυση.
Η χρονολόγηση των πυρήνων έγινε με τη χρήση του ισοτόπου βηρυλλίου Be-10, το οποίο έχει χρόνο ημιζωής 1,5 εκατομμύριο χρόνια. Σε έναν από τους πυρήνες εντόπισαν επίσης ίχνη του ισοτόπου σιδήρου Fe-60. Ο φλοιός της Γης αναπτύσσεται τόσο αργά ώστε κάθε πυρήνας, με μέγεθος έως 3 εκατοστά, κάλυπτε μια περίοδο μεγαλύτερη των δέκα εκατομμυρίων ετών.
Το υπόλοιπο πέτρωμα απεικονίστηκε με υπολογιστική τομογραφία ακτίνων Χ και εγκλείστηκε σε ρητίνη. Αυτό επέτρεψε στους επιστήμονες να κόψουν λεπτά στρώματα, όπου κάθε ένα αντιστοιχούσε σε περίπου 1 εκατομμύριο χρόνια ανάπτυξης. Στη συνέχεια, κάθε δείγμα διαχωρίστηκε και υποβλήθηκε σε επεξεργασία για την εξαγωγή του πλουτωνίου.
Κατά τη διάρκεια αυτής της ανάλυσης, η ομάδα εντόπισε επίσης ίχνη υλικού από γνωστά συμβάντα σουπερνόβα που συνέβησαν πριν από 2 και 7 εκατομμύρια χρόνια. Εντόπισαν επίσης λίγο κιούριο, αλλά όχι το συγκεκριμένο ισότοπο που θα είχε δημιουργηθεί στη σύγκρουση των αστέρων νετρονίων. Η μόνη πιθανή εξήγηση είναι ότι η κοσμική έκρηξη που ευθύνεται για το πλουτώνιο συνέβη τόσο παλιά, ώστε το συγκεκριμένο κιούριο έχει πλέον διασπαστεί σχεδόν ολοκληρωτικά.
Η διαδικασία δημιουργίας των στοιχείων
Είναι γνωστό ότι στοιχεία όπως το ήλιο, ο άνθρακας, το άζωτο και το οξυγόνο – μέχρι και ο σίδηρος – δημιουργούνται στο εσωτερικό των άστρων μέσω μιας διαδικασίας που ονομάζεται αστρική πυρηνοσύνθεση.
Ο Ήλιος, για παράδειγμα, συντήκει υδρογόνο στον πυρήνα του για να παραγάγει ήλιο. Σε λίγα δισεκατομμύρια χρόνια, θα αρχίσει να συντήκει ήλιο για να παραγάγει άνθρακα και οξυγόνο. Όταν ο Ήλιος ξεκινήσει τη μετάβαση για να γίνει λευκός νάνος, θα απελευθερώσει όλα αυτά τα στοιχεία στο διάστημα.
Σε άστρα με πολύ μεγαλύτερη μάζα από τον Ήλιο, η διαδικασία συνεχίζεται μέχρι τη δημιουργία του σιδήρου. Καθώς απαιτείται περισσότερη ενέργεια για να δημιουργηθεί σίδηρος και οποιοδήποτε βαρύτερο στοιχείο, η διαδικασία σταματά, ο πυρήνας καταρρέει και το άστρο εκρήγνυται, σκορπίζοντας τα στοιχεία του στο διάστημα. Στοιχεία όπως ο χρυσός, ο λευκόχρυσος, το ουράνιο, το νικέλιο και ο ψευδάργυρος δημιουργούνται σε τέτοια γεγονότα.
Περίπου τα μισά από τα βαρύτερα στοιχεία δημιουργούνται σε κολοσσιαία γεγονότα, όπως οι συγκρούσεις αστέρων νετρονίων που καταλήγουν σε εκρήξεις κιλονόβα. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται «r-process» (ταχεία σύλληψη νετρονίων) και περιλαμβάνει στοιχεία όπως το θόριο, το ουράνιο, καθώς και υπερουράνια στοιχεία όπως το πλουτώνιο και το κιούριο.
Οι θεωρίες της πυρηνοσύνθεσης r-process υποστηρίζουν ότι τόσο το Cm-247 όσο και το Pu-244 παράγονται ταυτόχρονα και σε περίπου ίσες αναλογίες σε ένα τέτοιο συμβάν. Δεδομένου ότι το κιούριο διασπάται ταχύτερα από το πλουτώνιο, η απουσία του θέτει ένα κατώτατο όριο για την ηλικία της συγχώνευσης των αστέρων νετρονίων, ενώ το Pu-244 βοηθά στον προσδιορισμό του ανώτατου ορίου.
Αναζητώντας την κοσμική σκόνη στη Γη και στο διάστημα
Η λεπτομερής μελέτη αυτών των ισοτόπων δείχνει ότι τα συντρίμμια από κοσμικά συμβάντα μπορούν να φτάσουν στη Γη σε παλμούς, μερικοί από τους οποίους συνδέονται με κοντινές εκρήξεις σουπερνόβα. Ωστόσο, το μικροσκοπικό δείγμα Pu-244 ήταν παρόν σε όλα τα στρώματα των τομών του πετρώματος. Αυτό σημαίνει ότι το πλουτώνιο πιθανότατα προήλθε από τη συγχώνευση των αστέρων νετρονίων και φτάνει στη Γη ως μια συνεχής ροή καθ’ όλη τη διάρκεια των 100 εκατομμυρίων ετών που μεσολάβησαν από το συμβάν.
Η ερευνητική ομάδα αναζητά τώρα και άλλα δείγματα για να ενισχύσει την ανακάλυψη αυτή. Θεωρείται πιθανό ότι υπάρχουν περισσότερα κομμάτια αρχαίου φλοιού στη Γη που περιέχουν τα προϊόντα της συγκεκριμένης διαδικασίας.
Η σκόνη από εκείνο το αρχαίο συμβάν θα μπορούσε κάλλιστα να έχει καθίσει στη Σελήνη και σε άλλους κόσμους. Τα πετρώματα από τις αποστολές Apollo θα μπορούσαν να αποτελέσουν αντικείμενο μελέτης, ενώ μελλοντικές αποστολές θα μπορούσαν να προσφέρουν έναν ακόμη τρόπο πρόσβασης σε σκόνη από το αρχαίο παρελθόν.
Διαστημικές αποστολές, όπως το Παρατηρητήριο Ακτίνων Χ Chandra και το Διαστημικό Τηλεσκόπιο James Webb, έχουν εντοπίσει συγχωνεύσεις αστέρων νετρονίων σε διάφορα μήκη κύματος, επιβεβαιώνοντας την ύπαρξή τους. Ωστόσο, αυτή η «χημική ανάλυση» των υπολειμμάτων αποτελεί ένα σημαντικό βήμα προόδου για τη χρονολόγηση αυτών των γεγονότων και την άμεση παρατήρηση των αποτελεσμάτων της πυρηνοσύνθεσης r-process.
