Железо 60: На Земле обнаружили радиоактивные обломки сверхновых звёзд / Хабр

На Земле обнаружили радиоактивные обломки сверхновых звёзд / Хабр

SLY_G

Научно-популярное Астрономия

Интернациональная команда учёных нашла доказательства того, что сравнительно недалеко от нашей планеты в недавнем по космическим меркам прошлом произошло несколько взрывов сверхновых. Учёные обнаружили осевшие на Земле «обломки» звёзд, в частности изотоп железа — железо-60.

Изотоп железо-60 был найден как в осадочных породах, так и в пробах земной коры, взятых в Тихом, Атлантическом и Индийском океанах. Он накапливался в этих местах в период от 3,2 до 1,7 миллионов лет назад.


«Мы были удивлены тем, как чётко распределились обломки звёзд на протяжении 1,5 млн лет,- говорит доктор Антон Уолнер [Anton Wallner], ядерный физик из Школы физики и инженерного дела при Австралийском государственном университете (АГУ). – Это даёт основания предполагать, что сверхновые взрывались одна за другой, и их была целая серия. Интересно, как это совпало с тем периодом, когда Земля остывала и менялась от плиоцена к плейстоцену».

Также были найдены изотопы, относящиеся к взрыву сверхновой порядка восьми миллионов лет назад, совпадающему по времени с глобальными изменениями фауны в миоцене. Учёные считают, что взрывы сверхновых происходили на расстоянии порядка 300 световых лет – в достаточно старом звёздном кластере, расстояние до которого от нас с тех пор увеличилось. В нём уже почти не осталось звёзд, что означает, что большинство из них уже взорвалось.

Яркость этих явлений на Земле должна была быть сопоставимой по яркости с Луной. Правда, космическое излучение даже в этом случае было бы слишком слабым, чтобы напрямую повлиять на фауну планеты. Некоторые учёные считают, что увеличение космического излучения могло повлиять на облачность планеты.

Железо-60 – радиоактивный изотоп железа с периодом полураспада в 2,6 млн лет. Это один из тяжёлых элементов, образующихся в звёздах и распространяющихся после их взрыва. Поскольку Земли он достигает в крайне малых количествах, учёным потребовались очень точные методики для обнаружения этого изотопа в породе. В исследовании учёные рассматривали 120 проб с разных мест Мирового океана, при этом заборы охватывали последние 11 миллионов лет существования планеты.

В работе участвовали учёные из Австралии, Австрии, Израиля, Японии, Германии.

Теги:

  • сверхновые
  • изотопы
  • железо-60

Хабы:

  • Научно-популярное
  • Астрономия

Всего голосов 19: ↑13 и ↓6 +7

Просмотры

16K

Комментарии
16

Вячеслав Голованов
@SLY_G

Научпоп. Проповедую в храме науки.

Сайт

Сайт

Сайт

Twitter

ВКонтакте

Комментарии
Комментарии 16

Физики нашли в антарктическом снегу свежий радиоактивный пепел сверхновой

Ученые обнаружили в
свежевыпавшем снегу в Антарктиде чрезвычайно редкий изотоп железо-60.
Проведенный анализ указал на межзвездное происхождение вещества, которое могло появиться
в результате вспышки сверхновой, произошедшей не более нескольких миллионов лет
назад. Найденное железо-60 при этом должно было попасть на Землю не более 20 лет
назад, пишут ученые в статье, принятой для публикации в Physical Review Letters.

Все элементы тяжелее
гелия во Вселенной образуются благодаря звездам. Термоядерный синтез в недрах
обычных светил приводит к появлению элементов вплоть до изотопа железа-56,
обладающего одной из наивысших энергий связи. Дальнейшее слияние становится
энергетически невыгодным, поэтому более тяжелые ядра получаются в
катастрофических процессах, таких как взрывы сверхновых и столкновения нейтронных
звезд.

Так как Солнце является
не очень старым светилом и образовалось из вещества, уже некогда являвшегося внутренностями
другой звезды, то и тесно связанный с ним состав Земли также отражает
предыдущую химическую эволюцию. Однако многие тяжелые изотопы нестабильны,
поэтому за несколько миллиардов лет существования планеты из радиоактивных ядер
остались либо наиболее долгоживущие, либо получающиеся в каскадах распадов, но
в последнем случае их концентрации должны находиться в определенных
соотношениях друг с другом.

В конце XX века ученые предположили, что близкий взрыв
сверхновой мог повлиять на Землю намного позже ее формирования и даже стать причиной массовых вымираний. Гипотезу можно проверить, если обнаружить ряд
редких радиоактивных изотопов, таких как железо-60 с периодом полураспада в 2,6
миллиона лет. Этот срок достаточно мал, чтобы подобных ядер не осталось со
времени образования планеты, но достаточно велик, чтобы зафиксировать следы давно случившегося редкого события. Железо-60 не получается
в результате распада других ядер, поэтому оно может быть только космического
происхождения.

Это предсказание было
подтверждено, когда нужные изотопы были найдены в отложениях на океанском дне.
Последующий анализ показал, что вещество попало на Землю 2–2,5 миллиона
лет назад. Затем были получены дополнительные указания на относительно недавнюю
близкую вспышку сверхновой — железо-60 также нашлось в образцах лунных пород и
космических лучах, хотя ученые разошлись в оценках их возраста и, следовательно,
соответствующей сверхновой.

В работе, ведущим
автором которой выступил Доминик Колль (Dominik Koll) из Австралийского национального
университета, проверялась идея, что выброшенное при взрывах сверхновых вещество
продолжает попадать на Землю и сегодня. Для этого авторы собрали около 500
килограмм свежего снега рядом с немецкой антарктической станцией Конен. Снег
доставили в нерастаявшем виде в Германию, где его плавили и анализировали на
масс-спектрометре.

Анализ показал, что в
добытом образце нашлось примерно 73 тысячи атомов железа-60, что соответствует
примерно 1,2 атомам на квадратный сантиметр антарктического снега в год.
Происхождение внутри Солнечной системы было исключено на основе сравнения с
концентрацией марганца-53, который получается при реакциях с космическими лучами.
Полученное отношение оказалось намного выше ожидаемого при схожем канале
образования. Происхождение в результате земных ядерных испытаний было похожим
образом отброшено на основе сравнения с изотопом железа-55, который получается в
известных количествах при взрыве атомных бомб.

Авторы заключают, что им
удалось обнаружить первое свидетельство недавнего попадания вещества сверхновой
на Землю. Ученые считают, что открытие важно, так как показывает, что как
минимум часть пыли в Местном межзвездном облаке, сквозь которое Солнечная
система движется со скоростью в 26 километров в секунду, порождена сверхновыми.
Исследователи собираются проверить эту гипотезу, измерив концентрацию железа-60
в старом снеге. Если идея верна, то стоит ожидать резкого повышения примерно
40–50 тысяч лет назад, когда Солнце влетело в Местное межзвездное облако.

Недавно стало ясно, что уран в метеоритах связан с близким слиянием нейтронных звезд, а сверхновые оказались основными поставщиками пыли в молодых галактиках. Также мы делали подробный материал про тяжелые элементы и пути их синтеза — «Алхимии отцовой
пережитки».

Тимур Кешелава

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.

Определение периода полураспада железа-60 – Physics World

Идентификационные спектры, демонстрирующие четкое отделение 60Fe от изобар 60Ni. Данные были получены на Ускорительном комплексе тяжелых ионов (ANU Canberra) с использованием ускорительной масс-спектрометрии. (С любезного разрешения: A Wallner et al., Phys. Rev. Lett. 114 041101)

 

Самое точное измерение половины -жизнь железа-60 была создана международной командой физиков. В то время как предыдущие измерения периода полураспада отличались в два раза, команда говорит, что это объясняет большинство источников ошибок, которые преследовали более ранние эксперименты. Радиоактивный изотоп, период полураспада которого составляет 2,60 миллиона лет с погрешностью 2%, теперь можно использовать для датирования астрофизических событий в этой временной шкале, что делает его надежным астрофизическим хронометром.

В то время как большая часть железа во Вселенной представляет собой железо-56 — стабильное ядро, состоящее из 26 протонов и 30 нейтронов — железо-60 ( 60 Fe) имеет 34 нейтрона, и именно четыре дополнительных нейтрона составляют изотоп неустойчивы к радиоактивному распаду. 60 Fe также является «вымершим радионуклидом» — нуклидом, образовавшимся в результате первичных процессов в ранней Солнечной системе почти 4,6 миллиарда лет назад.

Истории Солнечной системы

О существовании таких радионуклидов обычно говорят по «избытку» их стабильных продуктов распада – один нейтрон становится протоном, а 60 Fe распадается на кобальт-60 ( 60 Co) и, наконец, на стабильный никель-60 ( 60 Ni). Хотя на Земле нет исходного 60 Fe с момента образования Солнечной системы, небольшое его количество было обнаружено в глубоководных районах дна океана. Этот материал, скорее всего, происходит из космоса — либо из метеоритов (где 60 Fe производится благодаря постоянной бомбардировке метеоритов космическим излучением), либо в результате событий звездного нуклеосинтеза, таких как сверхновые звезды, которые произошли всего несколько миллионов лет назад. Такие следы помогают астрономам составить более четкую картину сверхновых, которые могли произойти поблизости по мере развития Солнечной системы, оказывая значительное влияние на климат Земли, а также на ее способность принимать жизнь.

Чтобы использовать 60 Fe в качестве точного хронометра, необходимо точно знать период его полураспада. Но два лучших предыдущих измерения — сделанные в 1984 и 2009 годах — дали разные ответы, которые расходились почти в два раза. Действительно, эксперимент 1984 года показал, что период полураспада 60 Fe составляет 1,5 миллиона лет, а эксперимент 2009 года — 2,6 миллиона лет.

Совершенно точно?

Антон Валлнер из Австралийского национального университета вместе с коллегами из Австрии и Швейцарии подтвердил последнее измерение в 2,6 миллиона лет с погрешностью 2%, используя метод, отличный от метода 2009 года.группа.

Ученые обычно измеряют периоды полураспада, используя различные виды спектроскопии для измерения скорости распада в секунду в образце, содержащем известное количество ядер. Для 60 Fe они обнаруживают гамма-лучи, испускаемые его дочерним ядром 60 Co, что немаловажно. Валлнер сообщает physicsworld. com , что ключевую роль играют два фактора: для эксперимента необходимо достаточное количество ядер Fe 60 в образце, чтобы радиоактивность была достаточно высокой, чтобы ее можно было измерить. Кроме того, команда должна с большой точностью знать начальное число 9.0007 60 Зародыши Fe в образце. По иронии судьбы, это число напрямую связано с самим значением периода полураспада, что делает измерение в целом очень сложным.

Парадоксальное измерение

Команда использовала ускорительную масс-спектрометрию (AMS) — тот же метод, который использовался в эксперименте 1984 года, но отличающийся от эксперимента 2009 года — для определения крошечной концентрации 60 изотопов Fe в образце. Валлнер объясняет, что AMS лучше, чем метод «масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой» (ИСП-МС) группы 2009 года, поскольку AMS позволяет команде легко различать изотопы с одинаковой массой разных элементов, присутствующих в одном и том же образце. Уолнер признает, что AMS имеет более сложную систему измерения, чем IC-PMS, что позволяет вкрадывать систематические ошибки, но исследователи могут уверенно исправлять эти ошибки. «Нашей целью было получить точное значение, даже если оно не такое точное, как результат ИСП-МС», — говорит он. Вместо использования 60 Период полураспада Fe, они сравнили количество обнаруженных изотопов с концентрацией 55 Fe — еще одного редкого изотопа — тем самым учли вышеупомянутые ошибки.

Получение этого значения имеет множество последствий, поскольку первичные радионуклиды (период полураспада которых составляет от 0,3 до 81 миллиона лет) позволяют астрофизикам определить временные масштабы процесса, в котором они образуются. звезды малой и средней массы (AGB). Кроме того, Валлнер поясняет, что « 60 Fe образуется в звездном нуклеосинтезе путем захвата нейтронов на 59 Fe», но, поскольку сечения захвата нейтронов напрямую связаны с периодом полураспада, знать это значение очень важно. Существуют спутники, такие как Международная гамма-астрофизическая лаборатория ЕКА (INTEGRAL), которые могут обнаруживать «недавно» распавшиеся 26 Al и 60 Fe в нашей галактике путем подсчета количества атомов, присутствующих в межзвездной среде. Опять же, это требует точного значения периода полураспада.

  • Исследование опубликовано в Physical Review Letters .

WebElements Periodic Table » Iron » изотопные данные

26 Fe

Доступные свойства железа…

Изотопы железа в основном используются в исследованиях питания, при этом Fe-57 и Fe-58 являются двумя наиболее часто используемыми изотопами Fe. Исследования включали потерю железа подростками, условия для эффективного усвоения железа, вмешательства при анемии и генетический контроль железа. Изотоп Fe-54 используется для производства радиоактивного Fe-55, который, в свою очередь, используется в качестве детектора захвата электронов и в рентгеновской флуоресценции. Fe-56 можно использовать для производства радиоактивного Co-55, который используется в качестве агента, ищущего опухоль, в блеомицине.

Природные изотопы

В этой таблице представлена ​​информация о встречающихся в природе изотопах, их атомных массах, их естественном содержании, их ядерных спинах и их магнитных моментах. Дополнительные данные для радиоизотопов (радиоактивных изотопов) железа перечислены ниже (включая все, что встречается в природе).
Изотоп Масса/Да Естественное содержание (атомов %) Ядерный спин (I) Магнитный момент (мк/мк Н )
54 Fe 53.9396127 (15) 5,845 (35) 0
56 Fe 55.9349393 (16) 91.754 (36) 0
57 Fe 56.9353958 (16) 2,119 (10) 1 / 2 0,09062294
58 Fe 57.9332773 (16) 0,282 (4) 0

Содержание изотопов железа. В приведенном выше примере наиболее интенсивный ион установлен на 100 %, поскольку это лучше всего соответствует выходному сигналу масс-спектрометра. Это не следует путать с относительным содержанием изотопов в процентах, которое составляет 100% для всех встречающихся в природе изотопов.

Радиоизотопные данные

Дополнительные данные для встречающихся в природе изотопов железа перечислены выше. Эта таблица дает информацию о некоторых радиоизотопах железа, их массах, периодах полураспада, способах их распада, их ядерных спинах и их ядерных магнитных моментах.
Изотоп Масса/Да Период полураспада Режим распада Ядерный спин Магнитный момент ядра
52 Fe 51.94812 8,28 ч EC по 52 Mn 0
53 Fe 52.945312 8,51 м EC по 53 Mn 7 / 2
55 Fe 54. 938298 2,73 г EC по 55 Mn 3 / 2
59 Fe 58.934880 44.51 д β — до 59 Co 3 / 2 0,29
60 Fe 59.934077 1,5 х 10 6 г β — до 60 Co 0
61 Fe 60.93675 6,0 м β — до 61 Co
62 Fe 61.93677 68 с β — до 62 Co 0

Ссылки

  1. Содержание изотопов в природе: отчет Комиссии по атомным весам и содержанию изотопов для Международного союза теоретической и прикладной химии в Изотопные составы элементов 1989 , Pure and Applied Chemistry, 1998, 70 , 219. [Copyright 8. ИЮПАК]
  2. Для получения дополнительной информации о радиоизотопах см. Таблицу нуклидов Jonghwa Chang (Корейский научно-исследовательский институт атомной энергии)
  3. Массы, ядерные спины и магнитные моменты: И. Миллс, Т. Цвитас, К. Хоманн, Н. Каллай и К. Кучицу в количествах, единицах и символах в физической химии , Blackwell Scientific Publications, Оксфорд, Великобритания, 1988. [Авторское право IUPAC 1988]

ЯМР Свойства железа

Общее эталонное соединение: Fe(CO) 5 /C 6 D 6 .

Таблица ЯМР-активных свойств ядер железа
  Изотоп 1 Изотоп 2 Изотоп 3
Изотоп 57 Fe
Естественное изобилие /% 2,2
Спин (I) 1 / 2
Частота относительно 1 H = 100 (МГц) 3. 237778
Восприимчивость, D P , относительно 1 H = 1,00 0,000000752
Восприимчивость, D C , относительно 13 C = 1,00 0,00430
Магнитогирическое отношение, γ (10 7 рад Тл ‑1 с -1 ) 0,8680624
Магнитный момент, мк (мк Н ) 0,1569636
Ядерный квадрупольный момент, Q/миллибарн 160
Коэффициент ширины линии, 10 56 л (м 4 ) —

Ссылки

  1. Р.К. Харрис в Энциклопедии ядерного магнитного резонанса , Д.М. Гранти и Р.К. Харрис, (ред.), vol. 5, John Wiley & Sons, Чичестер, Великобритания, 1996. Я благодарен профессору Робину Харрису (Университет Дарема, Великобритания), который предоставил большую часть данных ЯМР, защищенных авторским правом 1996 IUPAC, адаптировано из его вклада, содержащегося в этой ссылке.