Откуда на Земле золото и уран: новое исследование происхождения тяжелых элементов

На дне Тихого океана, на глубине почти пяти тысяч метров, лежат темно-бурые камни — железомарганцевые корки. Они формируются в течение миллионов лет, накапливая слои с чрезвычайно низкой скоростью: всего несколько миллиметров за один миллион лет. Вместе с земными минералами эти пласты улавливают космическую пыль, которая постоянно оседает на нашу планету из межзвездного пространства.

Для астрофизиков эти глубоководные отложения представляют собой уникальный архив данных. Изучая их химический состав слой за слоем, можно восстановить историю космических событий, происходивших в окрестностях нашей Солнечной системы на протяжении последних десяти миллионов лет.

Недавно международная группа исследователей опубликовала в научном журнале Nature Astronomy результаты анализа такой океанической коры. Они искали следы редких радиоактивных изотопов, чтобы ответить на один из фундаментальных вопросов науки: где и когда во Вселенной образуются самые тяжелые химические элементы, такие как золото, платина, уран и плутоний?

Загадка происхождения тяжелых металлов

Все легкие химические элементы, от водорода до железа, образуются внутри обычных звезд в ходе термоядерных реакций. Когда звезда светит, она сжигает водород и гелий, постепенно синтезируя более тяжелые ядра. Однако этот процесс останавливается на железе. Физические законы устроены так, что дальнейший синтез в недрах спокойной звезды невозможен — для создания более тяжелых ядер требуется колоссальное количество энергии и огромное число свободных нейтронов.

Чтобы появились элементы тяжелее железа, нужен так называемый быстрый захват нейтронов, который в научной литературе называют r-процессом. В ходе этого процесса легкие ядра атомов за доли секунды поглощают множество свободных нейтронов. Получившиеся сверхтяжелые ядра нестабильны, они быстро распадаются и превращаются в стабильные тяжелые металлы, включая золото, платину, уран, плутоний и кюрий.

Долгое время ученые спорили, какие именно космические события могут обеспечить нужные условия для r-процесса. Существуют две основные теории:

1. Взрывы массивных звезд в конце их жизни — сверхновые с коллапсом ядра.
2. Столкновения нейтронных звезд — сверхплотных остатков погибших светил. Такие события называют килоновыми.

Каждое из этих событий должно выбрасывать в космос свой набор радиоактивных веществ. Изучая состав космической пыли на Земле, ученые могут определить, какой именно сценарий преобладает в нашей Галактике.

Три радиоактивных маркера

Чтобы разобраться в этой истории, авторы исследования сосредоточились на поиске трех конкретных радиоактивных изотопов. Изотопы — это разновидности одного и того же химического элемента, которые отличаются числом нейтронов в ядре и со временем распадаются.

Первый маркер — железо-60. Период его полураспада составляет около 2,6 миллиона лет. Это означает, что за это время половина исходных атомов превращается в другие элементы. Железо-60 образуется в больших количествах при взрывах обычных сверхновых. Наличие этого изотопа в определенном слое океанической коры прямо указывает на то, что в это время недалеко от Солнечной системы взорвалась звезда.

Второй маркер — плутоний-244. Его период полураспада гораздо длиннее — около 81 миллиона лет. Этот изотоп создается преимущественно в ходе r-процесса. На Земле практически нет природного плутония-244, поэтому любые его атомы, найденные в глубоких слоях океана, гарантированно имеют космическое происхождение.

Третий маркер — кюрий-247. Его период полураспада равен 15,6 миллиона лет. Он также рождается только в r-процессе, причем всегда одновременно с плутонием-244 в строго определенной пропорции.

Поскольку кюрий-247 распадается в пять раз быстрее плутония-244, разница в их количестве позволяет точно определить, сколько времени прошло с момента их синтеза в космосе.

Технологии сверхточного анализа

Обнаружить эти изотопы на Земле крайне сложно, так как их концентрация в океанической коре ничтожно мала. Например, атомов плутония-244 в исследуемых образцах примерно в сто тысяч раз меньше, чем атомов железа-60. Обычные методы химического анализа здесь неприменимы.

Чтобы решить эту задачу, физики использовали метод ускорительной масс-спектрометрии. Исследователи взяли образец океанической коры массой в несколько сотен граммов и разделили его на тонкие слои, соответствующие разным временным эпохам. Затем химическим путем из них выделили фракции железа, плутония и кюрия.

Полученные препараты поместили в ускоритель частиц. Под действием высокого напряжения атомы разгонялись до огромных скоростей, проходя сквозь углеродные мишени. Этот процесс полностью разрушал любые посторонние молекулы, оставляя только чистые ядра изотопов. В результате ученые получили возможность буквально поштучно подсчитать отдельные атомы плутония и кюрия, отделив их от миллиардов атомов других веществ.

Что показали результаты измерений

Анализ слоев коры, охватывающих последние 10 миллионов лет истории Земли, привел к двум важным выводам.

Во-первых, ученые подтвердили, что в прошлом наша планета пережила как минимум два периода активного притока космического вещества. На графиках это отражается в виде двух четких пиков концентрации железа-60. Первый пик пришелся на период около 2,4 миллиона лет назад, второй — около 7,2 миллиона лет назад. Это означает, что в эти эпохи относительно близко от Земли взрывались сверхновые звезды.

Однако показатели плутония-244 в эти же периоды никак не изменились. Поток космического плутония оставался стабильно низким и равномерным на протяжении всех 10 миллионов лет. Из этого следует важный вывод: обычные сверхновые звезды, которые поставляют на Землю железо-60, не производят сколько-нибудь заметного количества тяжелых элементов r-процесса.

Во-вторых, исследователи вообще не обнаружили в образцах атомов космического кюрия-247.

Поскольку кюрий и плутоний всегда синтезируются вместе, отсутствие кюрия-247 указывает на то, что он полностью распался. Зная чувствительность приборов и скорость распада кюрия, ученые рассчитали минимальное время, которое должно было пройти с момента последнего выброса этих элементов в нашей области Галактики. Этот промежуток времени составляет не менее 90-100 миллионов лет.

Новая картина космической истории

Полученные результаты заставляют пересмотреть представления о том, как распределяются тяжелые элементы в космическом пространстве.

Вся Солнечная система сейчас находится внутри так называемого Местного пузыря — области разреженного и горячего межзвездного газа диаметром около 300 световых лет. Этот пузырь образовался в результате серии взрывов сверхновых звезд, которые произошли в течение последних нескольких миллионов лет. Эти же взрывы принесли на Землю железо-60.

Однако плутоний-244, который ученые находят в океанической коре, попал туда не из этих недавних взрывов. Наличие стабильного, но очень слабого притока плутония при полном отсутствии кюрия говорит о том, что этот плутоний — остаток очень старого и редкого события, которое произошло более 90 миллионов лет назад, еще до формирования Местного пузыря и задолго до появления человека. В ту эпоху на Земле продолжался период позднего мела.

Наиболее вероятным источником этого вещества ученые считают слияние нейтронных звезд. Такое событие мгновенно выбрасывает в космос колоссальное количество тяжелых металлов. За миллионы лет эти атомы перемешались с межзвездным газом и пылью, распределившись по Галактике в виде очень слабого, равномерного фона. Когда Солнечная система движется сквозь космос, она постоянно сталкивается с этой древней пылью. Проходящие мимо ударные волны от более поздних обычных сверхновых лишь временно ускоряют движение этих пылинок, направляя их в атмосферу нашей планеты.

Значение для науки и будущие исследования

Исследование глубоководной коры дает экспериментальное подтверждение того, что происхождение тяжелых элементов во Вселенной носит редкий характер. Обычные звезды и большинство сверхновых не способны создавать уран и плутоний. Для этого требуются редкие катаклизмы огромной мощности, происходящие раз в десятки миллионов лет.

Тем не менее, для окончательного подтверждения этих выводов ученым необходимо исключить возможное влияние земных условий. В соленой воде на дне океана происходят сложные химические реакции. Под действием кислорода плутоний может менять свои свойства, растворяться и частично вымываться из марганцевых корок. Кюрий же ведет себя иначе и не подвержен такому вымыванию. Это химическое различие может незначительно искажать пропорции изотопов в образцах.

Чтобы получить точные данные, не зависящие от химии земных океанов, исследователи планируют изучить образцы лунного грунта (реголита). Луна не имеет атмосферы, жидкой воды и тектонической активности. Межзвездная пыль оседает на ее поверхность и сохраняется там миллиарды лет в первозданном виде. Изучение глубоких слоев лунного грунта, доставленных в ходе космических миссий, позволит ученым детально восстановить карту космических событий, сформировавших химический облик нашей Солнечной системы.

Источник: Nature Astronomy