El enigma del Hierro-60: Descifrando explosiones cósmicas en la Tierra

La Tierra lleva las cicatrices de supernovas cercanas a través de rastros de isótopos únicos como el hierro-60 y el plutonio-244, encontrados en sedimentos y muestras lunares. Estos restos cósmicos, detectados utilizando métodos avanzados como la espectrometría de masas de acelerador, revelan una historia de explosiones estelares masivas en nuestro vecindario cósmico.

Cuando estrellas grandes o cuerpos celestes explotan cerca de la Tierra, sus escombros pueden llegar a nuestro sistema solar. La evidencia de estos eventos cósmicos se encuentra en la Tierra y en la Luna, siendo detectable mediante espectrometría de masas de acelerador (AMS). Un resumen de esta emocionante investigación fue publicado recientemente en la revista científica Annual Review of Nuclear and Particle Science por el Prof. Anton Wallner del Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), quien planea avanzar decisivamente en esta prometedora rama de investigación con la nueva instalación AMS "HAMSTER", que es ultrasensible.

En su artículo, el físico del HZDR Anton Wallner y su colega el Prof. Brian D. Fields de la Universidad de Illinois en Urbana, Estados Unidos, proporcionan una visión general de las explosiones cósmicas cerca de la Tierra, con un enfoque particular en los eventos que ocurrieron hace tres y, respectivamente, siete millones de años.

"Afortunadamente, estos eventos estaban lo suficientemente lejos, por lo que probablemente no tuvieron un impacto significativo en el clima de la Tierra ni tuvieron efectos importantes en la biosfera. Sin embargo, las cosas se vuelven realmente incómodas cuando las explosiones cósmicas ocurren a una distancia de 30 años luz o menos", explica Wallner. Convertido en la unidad astrofísica parsec, esto corresponde a menos de ocho a diez parsecs.

Una vez que las estrellas masivas han consumido todo su combustible, sus núcleos colapsan en una estrella de neutrones ultradensa o un agujero negro, mientras que al mismo tiempo, el gas caliente es expulsado hacia el exterior a alta velocidad. Una gran parte del gas y polvo finamente dispersos entre las estrellas es transportada por una onda de choque en expansión. Como un globo gigante con protuberancias y abolladuras, este envoltorio también recoge cualquier material ya presente en el espacio. Después de muchos miles de años, los restos de una supernova se han expandido hasta alcanzar un diámetro de varios 10 parsecs, extendiéndose cada vez más lentamente hasta que finalmente cesa el movimiento.

Las mediciones de espectrometría de masas de acelerador (AMS) de esta costra de ferromanganeso del Océano Pacífico han revelado hierro-60 interestelar, manganeso-53 y plutonio-244. Se incluyen átomos que datan de más de 20 millones de años. La moneda como referencia tiene un diámetro de 3.2 cm. Crédito: HZDR

Una explosión cercana tiene el potencial de interrumpir severamente la biosfera de la Tierra y causar una extinción masiva similar al impacto de un asteroide hace 66 millones de años. Los dinosaurios y muchas otras especies animales fueron víctimas de ese evento. "Si consideramos el período de tiempo desde la formación del sistema solar, que abarca miles de millones de años, no se pueden descartar explosiones cósmicas muy cercanas", enfatiza Wallner.

Sin embargo, las supernovas solo ocurren en estrellas muy masivas con más de ocho a diez veces la masa de nuestro sol. Estas estrellas son raras. Uno de los candidatos más cercanos de este tamaño es la supergigante roja Betelgeuse en la constelación de Orión, ubicada a una distancia segura de aproximadamente 150 parsecs de nuestro sistema solar.

Se generan muchos átomos nuevos durante las explosiones cósmicas o poco antes y durante la supernova, incluidos un número de átomos radioactivos. Wallner está particularmente interesado en el isótopo de hierro radioactivo con una masa atómica de 60. Aproximadamente la mitad de estos isótopos, llamados hierro-60 abreviadamente, se han convertido en un isótopo estable de níquel después de 2.6 millones de años. Por lo tanto, todo el hierro-60 que estaba presente en la formación de la Tierra hace unos 4,500 millones de años ha desaparecido hace mucho tiempo.

"El hierro-60 es extremadamente raro en la Tierra porque, de forma natural, no se produce en cantidades significativas. Sin embargo, se produce en grandes cantidades justo antes de que ocurra una supernova. Si este isótopo ahora aparece en sedimentos del fondo del océano o en material de la superficie de la luna, probablemente proviene de una supernova o de otro proceso similar en el espacio que ha tenido lugar cerca de la Tierra solo hace unos pocos millones de años", resume Wallner.

El físico del HZDR Prof. Anton Wallner es especialista en la búsqueda de materia interestelar utilizando Espectrometría de Masas de Acelerador (AMS). Wallner y sus colegas en Australia están actualmente en busca de más isótopos cósmicos, en Canberra está buscando átomos de Fe-60, en Sydney está buscando átomos de PU-244. Para ello, ha recibido varias muestras lunares de la agencia espacial de EE. UU., la NASA. Crédito: ANU

Lo mismo se aplica al isótopo de plutonio con una masa atómica de 244. Sin embargo, este plutonio-244 es más probable que se genere por la colisión de estrellas de neutrones que por supernovas. Por lo tanto, es un indicador de la nucleosíntesis de elementos pesados. Después de un período de 80 millones de años, aproximadamente la mitad del isótopo de plutonio-244 se ha convertido en otros elementos. Por lo tanto, el plutonio-244 en descomposición lenta es, además del hierro-60, otro indicador de eventos galácticos y la producción de nuevos elementos en los últimos millones de años.

"Exactamente con qué frecuencia, dónde y en qué condiciones se producen estos elementos pesados es actualmente motivo de intenso debate científico. El plutonio-244 también requiere eventos explosivos y, según la teoría, se produce de manera similar a los elementos oro o platino, que siempre han ocurrido naturalmente en la Tierra pero consisten en átomos estables hoy en día," explica Wallner.

Pero, ¿cómo llegan estos isótopos a la Tierra en primer lugar? Los átomos de hierro-60 expulsados por la supernova tienden a congregarse en partículas de polvo. Lo mismo ocurre con los isótopos de plutonio-244, que posiblemente fueron creados en otros eventos y atrapados por el sobreexpansión de la supernova. Después de explosiones cósmicas a una distancia de más de diez pero menos de 150 parsecs, según la teoría, el viento solar y el campo magnético de la heliosfera evitan que los átomos individuales lleguen a la Tierra. Sin embargo, los átomos de hierro-60 y plutonio-244 atrapados en partículas de polvo continúan volando hacia la Tierra y la Luna, donde eventualmente pueden filtrarse hasta la superficie.

Incluso con una supernova ocurriendo dentro del llamado "radio letal" de menos de diez parsecs, ni siquiera un microgramo de materia del sobreexpansión aterrizará en cada centímetro cuadrado. De hecho, solo unos pocos átomos de hierro-60 por centímetro cuadrado llegan a la Tierra cada año. Esto plantea un desafío enorme para "investigadores" como el físico Anton Wallner: dentro de una muestra sedimentaria de un gramo, tal vez unos pocos miles de átomos de hierro-60 se distribuyen como agujas en un pajar entre billones de billones de átomos de hierro ubicuos y estables con una masa atómica de 56. Además de eso, incluso el método de medición más sensible puede detectar solo una partícula de cada cinco milésimas, es decir, un máximo de solo unos pocos átomos de hierro-60 en una muestra de medición típica.

Concentraciones extremadamente bajas como estas solo se pueden determinar con la espectrometría de masas por acelerador, abreviada AMS. Una de estas instalaciones, el DREAMS de la AMS de Dresde, está ubicada en el HZDR, y pronto se le unirá el Espectrómetro de Masas por Acelerador Tracing Environmental Radionuclides (HAMSTER) del Helmholtz. Dado que las instalaciones de AMS alrededor del mundo están diseñadas de manera diferente, las diversas instalaciones pueden complementarse entre sí en la búsqueda de isótopos raros de explosiones de supernovas.

Los isótopos del mismo elemento pero con una masa diferente, como el hierro-56 de ocurrencia natural, se eliminan con filtros de masa. Los átomos de otros elementos con la misma masa que el objeto objetivo hierro-60, por ejemplo, el níquel-60 de ocurrencia natural, también interfieren. Incluso después de una preparación química muy compleja de las muestras, siguen siendo miles de millones de veces más abundantes que el hierro-60 y deben separarse en una instalación aceleradora especial utilizando métodos de física nuclear.

Al final, quizás se identifiquen cinco átomos individuales de hierro-60 en un proceso de medición que dura varias horas. El trabajo pionero en la detección de hierro-60 se llevó a cabo en la Universidad Técnica de Múnich. Sin embargo, actualmente, Canberra en la Australian National University es la única instalación existente en todo el mundo lo suficientemente sensible como para realizar tales mediciones.

En total, en los últimos 20 años solo se han medido alrededor de mil átomos de hierro-60. Para el plutonio-244 interestelar, que se encuentra en concentraciones más de 10,000 veces más bajas, solo se disponía de datos sobre átomos individuales durante mucho tiempo. Solo recientemente ha sido posible determinar alrededor de cien átomos de plutonio-244 en una infraestructura especializada en Sydney, similar a la instalación HAMSTER actualmente en desarrollo en el HZDR.

Sin embargo, solo ciertas muestras son adecuadas para la investigación, actuando como archivos para preservar estos átomos provenientes del espacio durante millones de años. Las muestras de la superficie de la Tierra, por ejemplo, se "diluyen" rápidamente debido a procesos geológicos. Los sedimentos y las costras del fondo marino, que se forman lentamente sin interrupciones en el fondo del océano, son ideales. Alternativamente, las muestras de la superficie lunar son adecuadas porque los procesos disruptivos apenas son un problema.

En un viaje de investigación hasta principios de noviembre de 2023, Wallner y sus colegas buscarán más isótopos cósmicos en instalaciones AMS especialmente adecuadas en las ciudades australianas de Canberra (hierro-60) y Sydney (plutonio-244). Para ello, ha recibido varias muestras lunares de la agencia espacial estadounidense NASA.

“Parallel measurements are also taking place at HZDR. These unique samples will allow us to gain new insights into supernova explosions near Earth, but also into the heaviest elements in our galaxy which are formed through these and other processes,” Wallner is certain.