Лунная пыль хранит скрытые свидетельства древних взрывов звёзд

Фото из открытых источников

Лунная пыль содержит древние космические данные, и новая математическая модель может помочь ученым расшифровать звездную пыль, погребенную глубоко в ее перемешанных слоях. Результаты исследования были опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Когда массивная звезда исчерпывает запасы топлива, она взрывается и разбрасывает свои внутренности по галактике, а часть этих обломков в конечном итоге достигает Луны в виде мельчайших частиц межзвездной пыли.

Новая математическая модель показывает, как читать эту пыль, словно дневник. Слои, погребенные в лунном грунте, датированы, и они могут рассказать ученым о сверхновых, которые взрывались задолго до появления человека.

Эмили Костелло возглавляла команду, создавшую эту модель. Она является научным сотрудником Гавайского института геофизики и планетологии, входящего в состав Школы океанографии и наук о Земле и технологий Гавайского университета в Маноа. Костелло сотрудничала с физиками и астрономами из Королевского колледжа Лондона, Иллинойского университета, Университета Нотр-Дам и Китайской академии наук.

На Луне нет ветра, дождя и смещения тектонических плит, которые могли бы нарушить целостность её поверхности. Вместо этого работу выполняют метеориты. Всё, от пылинок до целых астероидов, врезается в землю, переворачивается, перемешивается и засыпает всё, что там находится.

Ученые называют этот процесс «впечатляющим садоводством», потому что он переворачивает верхние слои почвы так же, как лопата переворачивает землю в саду. Такое перемешивание делает лунный реголит одновременно полезным и запутанным.

Каждый удар еще немного искажает картину. Один-единственный ком лунной пыли в итоге содержит материал из совершенно разных эпох, перемешанный между собой. Чтобы выделить из этого хаоса какой-либо один сигнал, например, пыль от конкретной потухшей звезды, требуются серьёзные математические вычисления.

Костелло и ее соавторы рассматривают постоянный обмен веществ как перетягивание каната. Некоторые удары нагромождают свежий материал, другие же снова и снова, на протяжении миллионов лет, извлекают старый материал.

Модель отслеживает еще две вещи. Во-первых, как радиоактивные атомы распадаются естественным образом с течением времени — те же самые медленные часы, которые ученые используют для датирования горных пород. Во-вторых, как солнечный свет и космические частицы затемняют обнаженную почву.

«Для моделирования процесса ударного воздействия на окружающую среду нам необходимо сбалансировать сложную сеть физических механизмов, включая ударное уплотнение, выемку грунта, радиоактивный распад и космическое выветривание, которые действуют одновременно в рамках единой элегантной континуальной модели», — сказала Костелло. «Наша математическая модель рассматривает лунное садоводство как соревнование между силами, засыпающими грунт, и ударами, выкапывающими его обратно. Это также позволяет учитывать радиоактивный распад остатков звезд и точно определять, когда и где новая звездная пыль была доставлена эпизодическими сверхновыми».

Учёным уже было известно, что Луна была обрызгана обломками сверхновых. И глубоководные осадки, и образцы, взятые в рамках программы «Аполлон», содержат железо-60. Эта радиоактивная форма железа образуется в массивных звездах и сверхновых, и ее присутствие в относительно недавних отложениях может указывать на то, что материал попал туда из космоса.

Исследователи отследили два всплеска этого железа, достигших Земли и Луны, примерно 2,3 миллиона и 7,3 миллиона лет назад. Оба связаны со сверхновыми, вспыхнувшими в сотнях световых лет от Земли.

Костелло проверила свою модель на реальных образцах, полученных в рамках программы «Аполлон», возраст которых уже был определен с помощью следов повреждений от космических лучей и других радиоактивных маркеров. Она проверила, может ли модель воспроизвести фактическое распределение железа-60 по глубине в этих образцах. И она смогла.

«Когда я впервые поделилась результатами моделирования, мои коллеги были удивлены тем, насколько хорошо модель совпадала с измерениями», — сказала Костелло. «Такое соответствие между эмпирическими наблюдениями и физической моделью вызывает восхищение и восхищение».

Эта модель также позволяет команде Костелло прогнозировать, как более тяжелые элементы будут оседать в почве. В этот список входят плутоний-244, йод-129, гафний-182 и кюрий-247. Эти радиоактивные изотопы могут образовываться в результате экстремальных звёздных событий, включая сверхновые и столкновения двух мёртвых, сверхплотных звёзд, называемых нейтронными звёздами.

Остатки потухшей звезды могут оставаться в этой почве гораздо дольше, чем где-либо на Земле. Именно поэтому Луна стоит того, чтобы с ней поработать.

«Глубоководные отложения на Земле сохраняют межзвездный мусор, но только за период около 10 миллионов лет», — сказала Костелло. «Однако лунный реголит [почва] действует как долговременный космический архив, способный сохранять историю, охватывающую 80–100 миллионов лет и более. Понимание физики перемешивания реголита гарантирует, что когда будущие астронавты вернутся из более глубоких слоев керна, мы сможем правильно прочитать перемешанные слои и восстановить историю путешествия нашей Солнечной системы по галактике».

Модель Костелло подтвердила свою работоспособность на протяжении более чем 400 миллионов лет моделируемой истории почв, что примерно в 40 раз дольше, чем позволяют глубинные отложения Земли.

Ни один из этих радиоактивных изотопов пока не был обнаружен в лунных образцах. Модель лишь предсказывает, где они должны находиться, если окажутся на Луне.

Цель программы НАСА «Артемида» — впервые со времен программы «Аполлон» отправить астронавтов обратно на Луну. Часть плана включает бурение кернов на большей глубине, чем это удавалось астронавтам «Аполлона».

Модель Костелло дает будущим командам, занимающимся сбором образцов, ориентир, какие глубины могут быть достойны проверки.

«Эти будущие образцы, взятые с Луны, в сочетании с нашей моделью садоводства, могут пролить свет на нерассказанную главу истории сверхновых!» — сказала Костелло. «Я считаю прекрасным, что остатки прошлых звёзд могут быть использованы для изучения обширной истории нашего соседства Земли и Луны, если мы умеем читать звёздную пыль».