Лунные камни скрывают подсказки о взрывах близлежащих звёзд

Фото из открытых источников

На поверхности Луны скрыты миллиарды лет космической истории, искаженные бесчисленными мельчайшими ударами. Новая математическая модель помогает ученым расшифровать эти данные, и то, что они обнаружат, может показать, была ли Земля недавно усеяна обломками умирающей звезды.

Когда звезда взрывается в сверхновой, она выбрасывает волну вещества в космос, включая редкие радиоактивные атомы, которые могут преодолевать многие световые годы в межзвездном пространстве и оседать на планетах и спутниках. Ученые уже обнаружили следы одного такого атома, радиоактивной формы железа, называемой железом-60, в глубоководных отложениях на Земле и в образцах почвы, доставленных астронавтами программы «Аполлон».

Эти следы указывают как минимум на два эпизода, когда обломки от близлежащих сверхновых достигли Земли: сильный импульс примерно 2,3 миллиона лет назад и более слабый — около 7,3 миллиона лет назад. Однако расшифровка этих данных затруднена, поскольку поверхность Луны постоянно перемешивается метеоритами, как крупными, так и мелкими, на протяжении миллиардов лет.

Группа исследователей разработала модель, которая более полно, чем раньше, объясняет этот процесс перемешивания, называемый «ударным садоводством». Исследование, опубликованное в журнале Physical Review Letters, предсказывает, где сегодня в лунной почве должны скрываться радиоактивные атомы из обломков сверхновых.

В отличие от Земли, на Луне нет погоды, тектоники плит или океанов, которые бы размывали и перерабатывали ее поверхность, что делает ее необычайным архивом всего, что когда-либо проходило через этот уголок галактики. Метеоритные удары, от микроскопических пылевых зерен до камней размером со здания, постоянно перемешивают верхние слои лунной почвы, засыпая часть материала глубже и выталкивая другой наверх.

Предыдущие модели рассматривали это перемешивание как простое случайное перемешивание, но детальные измерения образцов керна «Аполлона» показали четкие границы и слоистые структуры, которые нельзя было объяснить одной лишь моделью перемешивания.

Их новая модель рассматривает процесс «ударного садоводства» как конкуренцию между двумя силами: медленным, устойчивым нисходящим движением поверхностного материала, вызванным многократными ударами, и более хаотичным, случайным перемешиванием, вызванным более мелкими ударами. Проверенные на реальных данных из образцов керна, полученных в ходе миссий «Аполлон-15», «Аполлон-16» и «Аполлон-17» и охватывающих период более 400 миллионов лет лунной истории, предсказания точно совпали с наблюдениями.

После проверки модели садоводства команда применила ее к одному из самых поразительных открытий планетологии: железо-60 было обнаружено в образцах грунта, полученных в рамках программы «Аполлон», в концентрациях, значительно превышающих те, которые можно объяснить обычными космическими процессами. Это убедительно указывает на то, что обломки сверхновой упали на лунную поверхность примерно в то же время, когда они приземлились в океанах Земли.

Один из вопросов заключался в том, зависят ли уровни железа-60 от количества обычного железа, уже присутствующего в местной породе. Места посадки миссий «Аполлон» значительно различаются по содержанию железа, однако образцы керна миссий «Аполлон-15» и «Аполлон-16» показывают схожие запасы железа-60, несмотря на это различие. В статье это описывается как свидетельство того, что «захват пыли сверхновых не зависит от содержания природного железа», что согласуется с относительно равномерным распределением пыли по широтам, где приземлялись миссии «Аполлон».

Эта однородность указывает на то, как обломки попали в Солнечную систему. Если бы они пришли с одного направления, то на разных лунных широтах их количество должно было бы отличаться. Вместо этого, равномерный уровень обломков в разных местах указывает на то, что они распределились равномерно, возможно, рассеянные межзвездными магнитными полями еще до того, как достигли Солнечной системы.

Железо-60 — не единственный интересующий нас атом. Исследователи также обнаружили радиоактивную форму плутония, плутоний-244, в глубоководных океанических отложениях на Земле, обладающую гораздо более длительным периодом полураспада, что позволяет ей регистрировать звездные события, происходившие в гораздо более отдаленные времена.

Плутоний-244 особенно интересен, поскольку он образуется в результате r-процесса — экстремальной формы образования элементов, которая, как считается, происходит при исключительных сверхновых или столкновениях нейтронных звезд, называемых килоновыми. Остается открытым вопрос, имеет ли он общее происхождение с импульсами железа-60 или возник в результате отдельного и, возможно, более экзотического события.

Используя свою модель садоводства, исследователи смоделировали три сценария появления плутония-244: те же два импульса, связанные с обнаружением железа-60, медленное поступление в течение последних 10 миллионов лет или накопление в течение 80 миллионов лет. Дискретные импульсы оставляли бы сигнал сконцентрированным в верхних 10 сантиметрах почвы, в то время как 80 миллионов лет накопления могли бы сместить его на глубину около 100 сантиметров, а это значит, что достаточно глубокий керн мог бы показать, какой из сценариев действительно имел место.

Исследователи также смоделировали несколько других радиоактивных атомов, несущих в себе тот же космический след. Обнаружение их на нужной глубине может помочь определить, был ли источником взрыв сверхновой, столкновение двух нейтронных звезд или сочетание того и другого.

В рамках программы НАСА «Артемида» планируется вернуть астронавтов на Луну и собрать новые образцы, в том числе с ранее не посещенного Южного полюса. Места сбора образцов, взятых в рамках программы «Аполлон», расположены слишком близко друг к другу, чтобы можно было судить о направлении их распространения. Образец с Южного полюса, расположенного гораздо дальше, мог бы помочь проверить, пришли ли обломки с одного направления, хотя межзвездные магнитные поля могли исказить этот сигнал задолго до того, как достигли Луны.

В будущих миссиях следует отдавать приоритет отбору образцов керна на глубине не менее 100 сантиметров, поскольку при отборе образцов на небольшой глубине большая часть данных будет упущена, а загрязнение может исказить результаты измерений этих крайне редких атомов.

Звездные радиоактивные осадки миллиарды лет спокойно находились в лунной почве. У ученых наконец-то появился план по их обнаружению.