Lorsque des étoiles massives ou d’autres objets stellaires explosent dans le voisinage cosmique de la Terre, les débris éjectés peuvent également atteindre notre système solaire. Des traces de tels événements se trouvent sur Terre ou sur la Lune et peuvent être détectées grâce à la spectrométrie de masse par accélérateur, ou AMS en abrégé. Un aperçu de ces recherches passionnantes est fourni dans la revue scientifique Annual Overview of Nuclear and Particle Science (DOI : 10.1146/annurev-nucl-011823-045541) par le professeur Anton Wallner du Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), qui prévoit bientôt de faire progresser de manière décisive cette branche prometteuse de la recherche avec la nouvelle installation AMS ultrasensible « HAMSTER ».
Dans leur report, le physicien Anton Wallner du HZDR et son collègue le professeur Brian D. Fields de l’Université de l’Illinois à Urbana, aux États-Unis, donnent un aperçu des explosions cosmiques géocroiseurs avec un accent particulier sur les événements qui se sont produits respectivement trois et sept tens of millions de personnes. il y a des années.
« Heureusement, ces événements étaient encore assez éloignés, ils n’ont donc probablement pas eu d’impact significatif sur le climat terrestre ni d’effets majeurs sur la biosphère. Cependant, les choses deviennent vraiment inconfortables lorsque des explosions cosmiques se produisent à une length de 30 années-lumière ou moins, « , explique Wallner. Converti en unité astrophysique parsec, cela correspond à moins de huit à dix parsecs.
Une fois que les étoiles massives ont brûlé tout leur combustible, leurs noyaux s’effondrent pour previous une étoile à neutrons extremely-dense ou un trou noir, tandis qu’en même temps, des gaz chauds sont éjectés vers l’extérieur à grande vitesse. Une grande partie des gaz et des poussières finement dispersés entre les étoiles sont emportées par une onde de choc en expansion. Tel un ballon géant avec des bosses et des bosses, cette enveloppe balaie également tout matériau déjà présent dans l’espace. Après plusieurs milliers d’années, les restes d’une supernova se sont étendus jusqu’à atteindre un diamètre de plusieurs 10 parsecs, s’étendant de furthermore en as well as lentement jusqu’à ce que le mouvement cesse finalement.
Une explosion à proximité pourrait potentiellement perturber gravement la biosphère terrestre et provoquer une extinction enormous similaire à l’impact d’un astéroïde il y a 66 millions d’années. Les dinosaures et de nombreuses autres espèces animales ont été victimes de cet événement. « Si l’on considère la période écoulée depuis la development du système solaire, qui s’étend sur des milliards d’années, des explosions cosmiques très rapprochées ne peuvent être exclues », souligne Wallner.
Néanmoins, les supernovae ne se produisent que dans les étoiles très lourdes ayant une masse de huit à dix fois supérieure à celle de notre soleil. De telles étoiles sont rares. L’une des candidates les plus proches de cette taille est la supergéante rouge Bételgeuse dans la constellation d’Orion, située à une distance de sécurité d’environ 150 parsecs de notre système solaire.
Creation d’isotopes interstellaires
De nombreux nouveaux atomes sont générés lors d’explosions cosmiques ou peu avant et pendant la supernova, parmi lesquels également un specified nombre d’atomes radioactifs. Wallner s’intéresse particulièrement à l’isotope radioactif du fer, dont la masse atomique est de 60. Approximativement la moitié de ces isotopes, appelés fer 60 en abrégé, se sont transformés en un isotope stable du nickel après 2,6 tens of millions d’années. Par conséquent, tout le fer 60 qui était présent lors de la formation de la Terre il y a approximativement 4,5 milliards d’années a disparu depuis longtemps.
« Le fer 60 est extrêmement exceptional sur Terre vehicle, par voie naturelle, il n’est pas produit en quantité significative. Cependant, il est produit en grande quantité juste avant qu’une supernova ne se produise. Si cet isotope apparaît désormais dans les sédiments de l’océan sol ou dans des matériaux provenant de la area de la Lune, il provient probablement d’une supernova ou d’un autre processus similaire dans l’espace qui a eu lieu près de la Terre il y a seulement quelques millions d’années », résume Wallner.
Il en va de même pour l’isotope du plutonium de masse atomique 244. Cependant, ce plutonium 244 est additionally probablement généré par la collision d’étoiles à neutrons que par des supernovae. C’est donc un indicateur de la nucléosynthèse des éléments lourds. Après une période de 80 thousands and thousands d’années, approximativement la moitié de l’isotope du plutonium 244 s’est transformée en d’autres éléments. Par conséquent, le plutonium 244, en décomposition lente, est, outre le fer 60, un autre indicateur des événements galactiques et de la generation de nouveaux éléments au cours des derniers hundreds of thousands d’années.
« La fréquence exacte, où et dans quelles problems ces éléments lourds sont produits fait actuellement l’objet d’un débat scientifique rigorous. Le plutonium-244 nécessite également des événements explosifs et, selon la théorie, est produit de la même manière que les éléments or ou platine, qui ont se sont toujours produits naturellement sur Terre, mais sont aujourd’hui constitués d’atomes stables », explique Wallner.
Des particules de poussière comme cargos cosmiques
Mais remark ces isotopes parviennent-ils sur Terre en premier lieu ? Les atomes de fer 60 éjectés par la supernova aiment se rassembler en particules de poussière. Il en va de même pour les isotopes du plutonium 244, qui ont peut-être été créés lors d’autres événements et balayés par l’enveloppe en growth de la supernova. Après des explosions cosmiques à une distance de plus de dix mais moins de 150 parsecs, selon la théorie, le vent solaire et le champ magnétique de l’héliosphère empêchent les atomes individuels d’atteindre la Terre. Cependant, les atomes de fer 60 et de plutonium 244 piégés dans les particules de poussière continuent de voler vers la Terre et la Lune, où ils peuvent éventuellement s’écouler jusqu’à la area.
Même avec une supernova se produisant dans le soi-disant « rayon de destruction » de moins de dix parsecs, pas même un microgramme de matière de l’enveloppe n’atterrira sur chaque centimètre carré. En fait, très peu d’atomes de fer 60 par centimètre carré atteignent la Terre chaque année. Cela pose un énorme défi aux « enquêteurs » comme le physicien Anton Wallner : dans un échantillon de sédiment d’un gramme, peut-être quelques milliers d’atomes de fer 60 sont répartis comme des aiguilles dans une botte de foin parmi des milliards de fois des milliards d’atomes de fer omniprésents et stables. masse atomique de 56. De as well as, même la méthode de mesure la as well as sensible ne peut détecter qu’une particule de cinq millièmes, soit au optimum quelques atomes de fer 60 dans un échantillon de mesure typique.
Des concentrations aussi extrêmement faibles ne peuvent être déterminées qu’avec la spectrométrie de masse par accélérateur, abrégé AMS. L’une de ces installations, l’AMS de Dresde (Dreams), est située au HZDR, et sera bientôt rejointe par le spectromètre de masse à accélérateur Helmholtz pour le traçage des radionucléides environnementaux (HAMSTER). Étant donné que les installations AMS à travers le monde sont conçues différemment, les différentes installations peuvent se compléter dans la recherche d’isotopes rares issus des explosions de supernova.
20 ans pour seulement mille atomes de fer 60
Les isotopes du même élément mais de masse différente, comme le fer 56 naturel, sont éliminés à l’aide de filtres de masse. Les atomes d’autres éléments ayant la même masse que l’objet cible, le fer-60, par exemple le nickel-60 naturel, interfèrent également. Même après une préparation chimique très complexe des échantillons, ils restent des milliards de fois in addition abondants que le fer 60 et doivent être séparés dans un accélérateur spécial utilisant des méthodes de physique nucléaire.
En fin de compte, peut-être cinq atomes individuels de fer 60 sont identifiés au cours d’un processus de mesure qui dure plusieurs heures. Des travaux pionniers sur la détection du fer 60 ont été menés à la TU Munich. Cependant, à l’heure actuelle, l’Université nationale australienne de Canberra est la seule installation au monde suffisamment practical pour effectuer de telles mesures.
Au complete, seulement un millier d’atomes de fer 60 environ ont été mesurés au cours des 20 dernières années. Pour le plutonium 244 interstellaire, présent à des concentrations plus de 10 000 fois inférieures, seules les données relatives aux atomes individuels étaient disponibles pendant longtemps. Ce n’est que récemment qu’il a été probable de déterminer une centaine d’atomes de plutonium 244 dans une infrastructure spécialisée à Sydney, similaire à l’installation HAMSTER actuellement en cours de développement au HZDR.
Cependant, seuls certains échantillons se prêtent à l’investigation, qui font business office d’archives pour conserver ces atomes venus de l’espace pendant des thousands and thousands d’années. Les échantillons prélevés à la floor de la Terre, par exemple, sont rapidement « dilués » par les processus géologiques. Les sédiments et les croûtes provenant des profondeurs marines, qui se forment lentement et sans perturbation au fond de l’océan, sont idéaux. Alternativement, des échantillons provenant de la area lunaire conviennent auto les processus perturbateurs ne posent guère de problème.
Lors d’un voyage de recherche jusqu’au début novembre 2023, Wallner et ses collègues partiront à la recherche d’autres isotopes cosmiques dans des installations AMS particulièrement adaptées situées dans les villes australiennes de Canberra (fer 60) et de Sydney (plutonium 244). À cette fin, il a reçu de l’agence spatiale américaine NASA un particular nombre d’échantillons lunaires.
« Des mesures parallèles ont également lieu au HZDR. Ces échantillons uniques nous permettront d’acquérir de nouvelles connaissances sur les explosions de supernova près de la Terre, mais aussi sur les éléments les plus lourds de notre galaxie qui se forment à travers ces processus et d’autres », est sure Wallner.
