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，它们的碎片可以到达我们的太阳系。在地球和月球上发现了这些宇宙事件的证据，可以通过加速器质谱（AMS）检测到。亥姆霍兹-德累斯顿-罗森多夫中心（HZDR）的安东·沃纳（Anton Wallner）教授最近在科学期刊《核与粒子科学年度评论》上发表了对这项激动人心的研究的概述，他很快计划通过新的超灵敏AMS设施“HAMSTER”果断地推进这一有前途的研究分支。
在他们的论文中，HZDR物理学家Anton Wallner和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，特别关注了分别发生在300万年前和700万年前的事件。
“幸运的是，这些事件仍然足够遥远，因此它们可能不会对地球气候产生重大影响或对生物圈产生重大影响。然而，当宇宙爆炸发生在30光年或更短的距离时，事情会变得非常不舒服，“沃尔纳解释说。换算成天体物理单位秒差距，这相当于不到八到十秒差距。
一旦大质量恒星燃烧掉所有燃料，它们的核心就会坍缩成超高密度的中子星或黑洞，同时，热气体以高速向外喷射。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。就像一个巨大的气球，上面有凸起和凹痕，这个信封也可以扫除太空中已经存在的任何材料。几千年后，超新星的残骸已经膨胀到几十秒差距的直径，扩散得越来越慢，直到运动最终停止
附近的爆炸有可能严重破坏地球的生物圈，并导致类似于6600万年前小行星撞击的大规模灭绝。恐龙和许多其他动物物种成为这一事件的受害者。“如果我们考虑自太阳系形成以来跨越数十亿年的时间段，就不能排除非常接近的宇宙爆炸，”沃尔纳强调说。
然而，超新星只发生在非常重的恒星中，其质量是太阳的八到十倍以上。这样的星星是罕见的。这种大小最接近的候选者之一是猎户座的红超巨星参宿四，它距离我们的太阳系大约150秒差距。
星际同位素的产生
许多新原子是在宇宙爆炸期间或超新星发生前不久和期间产生的，其中也有一些放射性原子。沃尔纳对原子质量为60的放射性铁同位素特别感兴趣。这些同位素中约有一半，简称铁-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，因为通过自然方式，它不会大量生产。然而，它是在超新星发生之前大量生产的。如果这种同位素现在出现在海底的沉积物或月球表面的物质中，它可能来自超新星或几百万年前发生在地球附近的太空中的另一个类似过程，“沃尔纳总结道。
这同样适用于原子质量为 244 的钚同位素。然而，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，缓慢衰变的钚-244是除铁-60之外的另一个指标，也是过去数百万年中银河系事件和新元素产生的另一个指标。
“这些重元素究竟多久、多久、在什么地方、在什么条件下产生，目前是科学界激烈争论的主题。钚-244也需要爆炸事件，根据理论，其产生类似于金或铂元素，这些元素一直自然存在于地球上，但今天由稳定的原子组成，“沃尔纳解释说。
尘埃颗粒作为宇宙货船
但是，这些同位素最初是如何到达地球的呢？超新星喷出的铁-60原子喜欢聚集在尘埃颗粒中。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层所席卷。根据理论，在距离超过10秒差距但小于150秒差距的宇宙爆炸之后，太阳风和日光层的磁场阻止了单个原子到达地球。然而，被困在尘埃颗粒中的铁-60和钚-244原子继续飞向地球和月球，最终可以涓涓细流到月球表面。
即使超新星发生在不到十秒差距的所谓“杀伤半径”内，包络层中的一微克物质也不会落在每平方厘米上。事实上，每年只有极少数铁-60原子到达地球。这对物理学家安东·沃尔纳（Anton Wallner）等“研究者”提出了巨大的挑战：在一个一克的沉积物样本中，也许有几千个铁-60原子像大海捞针一样分布在数十亿个无处不在且稳定的铁原子中，原子质量为56。最重要的是，即使是最灵敏的测量方法也可能只能检测到每千分之五的粒子，即在典型的测量样品中最多只能检测到几个铁-60原子。
如此极低的浓度只能用加速器质谱法（简称AMS）来测定。其中一个设施，德累斯顿AMS（DREAMS），位于HZDR，不久将与亥姆霍兹加速器质谱仪追踪环境放射性核素（HAMSTER）一起加入。由于全球AMS设施的设计不同，因此在从超新星爆炸中寻找稀有同位素时，各种设施可以相互补充。
仅 1000 个铁 60 原子 20 年
相同元素但质量不同的同位素，如天然存在的铁-56，用质量过滤器去除。与目标物体铁-60质量相同的其他元素的原子，例如天然存在的镍-60，也会发生干扰。即使对样品进行了非常复杂的化学制备，它们的含量仍然比铁-60高出数十亿倍，并且必须在特殊的加速器设施中使用核物理方法进行分离。
最后，在持续数小时的测量过程中，可能鉴定出五个单独的铁-60原子。慕尼黑工业大学开展了铁-60检测的开创性工作。然而，目前，澳大利亚国立大学的堪培拉是全球唯一一个足够灵敏的设施，可以进行这种测量。
在过去的20年中，总共只测量了大约1000个铁-60原子。对于星际钚-244，其浓度要低10,000倍以上，很长一段时间内只有单个原子的数据可用。直到最近，才有可能在悉尼的一个专门的基础设施中确定大约一百个钚-244原子 – 类似于HZDR目前正在开发的HAMSTER设施。
然而，只有某些样本适合研究，这些样本作为档案，将这些来自太空的原子保存了数百万年。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结壳在海底缓慢形成，不受干扰，是理想的选择。或者，来自月球表面的样本是合适的，因为破坏性过程几乎不是问题。
在2023年11月初之前的一次研究之旅中，Wallner和他的同事们将在澳大利亚堪培拉（铁-60）和悉尼（钚-244）等特别合适的AMS设施中寻找更多的宇宙同位素。为此，他从美国航天局NASA收到了许多月球样本。
“HZDR也在进行平行测量。这些独特的样本将使我们能够对地球附近的超新星爆炸获得新的见解，同时也使我们能够了解我们银河系中通过这些和其他过程形成的最重元素，“沃尔纳确信。
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