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
Ее до сих пор не удавалось зарегистрировать из-за акустичности, электро-нейтральности и отсутствия взаимодействия со светом
Физики экспериментально обнаружили в рутенате стронция Sr2RuO4 особый вид плазмона — демон Пайнса. Существование этой частицы было предсказано 67 лет назад, но из-за акустичности, электро-нейтральности и из-за отсутствия взаимодействия со светом ее до сих пор не удавалось зарегистрировать. Чтобы обнаружить демона, ученые применили метод спектроскопии характеристических потерь энергии электронов с разрешением по импульсу. Статья опубликована в журнале Nature. В 1952 году американские физики Дэвид Пайнс и Дэвид Бом описали коллективное поведение электронного газа в плазме, которое можно представить в виде квазичастицы, которую назвали плазмоном. Некоторые виды плазмонов уже научились регистрировать. В 1956 году Пайнс предположил, что в металлах могут существовать особые плазмоны, которые возникают при колебании электронов из разных зон в противофазе, что приводит к модуляции заселенности этих зон. Такие плазмоны назвали демонами: они не обладают ни массой, ни электрическим зарядом, да и со светом не взаимодействуют, — поэтому их крайне сложно зарегистрировать обычными методами. Группа физиков под руководством Петра Аббамонте (Peter Abbamonte), профессора Университета Иллинойса, изучала рутенат стронция Sr2RuO4. Этот металл обладает тремя вложенными зонами, пересекающими энергию Ферми, и поэтому может быть кандидатом на появление в нем демона. Ученые использовали метод электронной спектроскопии потерь энергии электронов с высоким разрешением по импульсу в режиме отражения. Этот метод позволяет измерять как поверхностные, так и объемные возбуждения в металле при ненулевой передаче импульса q, где сигнатура демона ожидалась наиболее четкой. Спектры потерь энергии электронов при большой передаче энергии и больших переданных импульсах — более 0,28 единиц обратной решетки — демонстрируют бесхарактерный энергонезависимый континуум. При малых переданных импульсах — q менее 0,16 единиц обратной решетки — ученые обнаружили широкую плазмонную особенность с максимумом в районе 1,2 электронвольта. Ученые обнаружили, что в низкоэнергетическом режиме, при q менее 0,08 единицы обратной решетки, метод выявляет акустическую моду. Дисперсия моды оказалась линейной в большом диапазоне импульсов, с групповой скоростью примерно в 100 раз больше скорости акустических фононов, которые распространяются со скоростью звука, но на три порядка меньше, чем для поверхностного плазмона, распространяющегося со скоростью, близкой к скорости света. Однако скорость моды находится в пределах 10 процентов от предсказанной расчетами скорости для демона. Как отмечают ученые, это возбуждение явно электронное и это как раз и есть демон, предсказанный Пайнсом 67 лет назад. Наблюдение демона стало возможным, благодаря высокому разрешению в миллиэлектронвольт в используемом методе. Однако для дальнейшего изучения демонов ученые предлагают повысить точность, используя высокоэнергетические электроны в сканирующем просвечивающем электронном микроскопе с высоким разрешением, работающем в расфокусированной конфигурации. Физики отмечают, что требуется новая теория демонов, которая точнее опишет полученные экспериментальные данные. Эти квазичастицы могут быть ответственны за возникновение сверхпроводимости и играть важную роль в низкоэнергетической физике многих многозонных металлах. Изучение демонов и других видов плазмонов важно для описания коллективного поведения электронов в разных веществах. Например, недавно мы писали как физикам удалось увидеть часть плазмонной матрицы плотности.