Le mystère de l'énigme de l'isotope de fer 60 : Décoder les explosions cosmiques sur Terre

La Terre porte les cicatrices des supernovas proches à travers des traces d'isotopes uniques comme le fer-60 et le plutonium-244, trouvés dans les sédiments et les échantillons lunaires. Ces restes cosmiques, détectés à l'aide de méthodes avancées telles que la spectrométrie de masse par accélérateur, révèlent une histoire d'explosions stellaires massives dans notre voisinage cosmique.

Quand de grandes étoiles ou des corps célestes explosent près de la Terre, leurs débris peuvent atteindre notre système solaire. Des preuves de ces événements cosmiques sont trouvées sur Terre et sur la Lune, détectables grâce à la spectrométrie de masse par accélérateur (AMS). Un aperçu de cette recherche passionnante a récemment été publié dans le journal scientifique Annual Review of Nuclear and Particle Science par le professeur Anton Wallner du Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), qui prévoit bientôt de faire avancer de manière décisive cette branche prometteuse de la recherche avec la nouvelle installation AMS ultrasensible "HAMSTER".

Dans leur article, le physicien du HZDR Anton Wallner et son collègue, le professeur Brian D. Fields de l'Université de l'Illinois à Urbana, aux États-Unis, fournissent un aperçu des explosions cosmiques près de la Terre en mettant particulièrement l'accent sur les événements qui se sont produits il y a trois et respectivement sept millions d'années.

"Heureusement, ces événements étaient encore assez loin, donc ils n'ont probablement pas eu un impact significatif sur le climat de la Terre ou d'importants effets sur la biosphère. Cependant, les choses deviennent vraiment inconfortables lorsque des explosions cosmiques se produisent à une distance de 30 années-lumière ou moins", explique Wallner. Converti en unité astrophysique de parsec, cela correspond à moins de huit à dix parsecs.

Une fois que les étoiles massives ont brûlé tout leur combustible, leurs cœurs s'effondrent en une étoile à neutrons ultra-dense ou un trou noir, tandis qu'en même temps, du gaz chaud est éjecté vers l'extérieur à une grande vitesse. Une grande partie du gaz et de la poussière finement dispersés entre les étoiles est emportée par une vague de choc en expansion. Comme un ballon géant avec des bosses et des creux, cette enveloppe balaie également tout matériau déjà présent dans l'espace. Après des milliers d'années, les restes d'une supernova se sont étendus sur un diamètre de plusieurs dizaines de parsecs, se dispersant de plus en plus lentement jusqu'à ce que le mouvement cesse enfin.

Les mesures de spectrométrie de masse par accélérateur (AMS) de cette croûte de ferromanganèse de l'océan Pacifique ont révélé du fer-60, du manganèse-53 et du plutonium-244 interstellaires. Il s'agit d'atomes datant de plus de 20 millions d'années. La pièce servant d'échelle a un diamètre de 3,2 cm. Crédit : HZDR

Une explosion proche a le potentiel de perturber gravement la biosphère de la Terre et de causer une extinction de masse similaire à l'impact d'astéroïde il y a 66 millions d'années. Les dinosaures et de nombreuses autres espèces animales ont été victimes de cet événement. "Si nous considérons la période depuis la formation du système solaire, qui s'étend sur des milliards d'années, il n'est pas possible d'exclure des explosions cosmiques très proches", souligne Wallner.

Cependant, les supernovas ne se produisent que dans les étoiles très massives avec plus de huit à dix fois la masse de notre soleil. De telles étoiles sont rares. L'un des candidats les plus proches de cette taille est la supergéante rouge Bételgeuse dans la constellation d'Orion, située à une distance sûre d'environ 150 parsecs de notre système solaire.

De nombreux nouveaux atomes sont générés pendant les explosions cosmiques ou peu de temps avant et pendant la supernova - parmi eux également un certain nombre d'atomes radioactifs. Wallner s'intéresse particulièrement à l'isotope radioactif du fer avec une masse atomique de 60. Environ la moitié de ces isotopes, appelés fer-60 pour faire court, se sont transformés en un isotope stable de nickel après 2,6 millions d'années. Par conséquent, tout le fer-60 qui était présent lors de la formation de la Terre il y a environ 4,5 milliards d'années a depuis longtemps disparu.

"Le fer-60 est extrêmement rare sur Terre car, naturellement, il n'est pas produit en quantité significative. Cependant, il est produit en grande quantité juste avant qu'une supernova ne se produise. Si cet isotope se retrouve maintenant dans les sédiments du fond de l'océan ou dans du matériau provenant de la surface de la lune, il provient probablement d'une supernova ou d'un autre processus similaire dans l'espace qui s'est produit près de la Terre il y a seulement quelques millions d'années", résume Wallner.

Le physicien du HZDR, le professeur Anton Wallner, est un spécialiste de la recherche de la matière interstellaire à l'aide de la spectrométrie de masse par accélérateur (AMS). Wallner et ses collègues en Australie sont actuellement à la recherche d'autres isotopes cosmiques - à Canberra, il recherche des atomes de Fe-60, à Sydney, des atomes de PU-244. À cette fin, il a reçu un certain nombre d'échantillons lunaires de l'agence spatiale américaine NASA. Crédit : ANU

La même chose s'applique à l'isotope de plutonium avec une masse atomique de 244. Cependant, ce plutonium-244 est plus probablement généré par la collision d'étoiles à neutrons que par des supernovae. Ainsi, il est un indicateur de la nucléosynthèse des éléments lourds. Après une période de 80 millions d'années, environ la moitié de l'isotope de plutonium-244 s'est transformée en d'autres éléments. Par conséquent, le plutonium-244 en décomposition lente est, en plus du fer-60, un autre indicateur des événements galactiques et de la production de nouveaux éléments au cours des derniers millions d'années.

« Exactement à quelle fréquence, où et dans quelles conditions ces éléments lourds sont produits est actuellement l'objet d'un débat scientifique intense. Le plutonium-244 nécessite également des événements explosifs et, selon la théorie, est produit de manière similaire aux éléments or ou platine, qui se sont toujours produits naturellement sur Terre mais qui sont aujourd'hui constitués d'atomes stables », explique Wallner.

Mais comment ces isotopes arrivent-ils sur Terre en premier lieu ? Les atomes de fer-60 éjectés par la supernova ont tendance à se regrouper dans des particules de poussière. Les isotopes de plutonium-244 le font également, et ils ont peut-être été créés lors d'autres événements et piégés par l'enveloppe en expansion de la supernova. Après des explosions cosmiques à une distance de plus de dix mais moins de 150 parsecs, selon la théorie, le vent solaire et le champ magnétique de l'héliosphère empêchent les atomes individuels d'atteindre la Terre. Cependant, les atomes de fer-60 et plutonium-244 piégés dans des particules de poussière continuent de voler vers la Terre et la Lune, où ils peuvent éventuellement descendre jusqu'à la surface.

Même avec une supernova se produisant dans le soi-disant « rayon de destruction » de moins de dix parsecs, même pas un microgramme de matière provenant de l'enveloppe ne tombera sur chaque centimètre carré. En fait, seulement quelques atomes de fer-60 par centimètre carré atteignent la Terre chaque année. Cela pose un énorme défi aux « enquêteurs » comme le physicien Anton Wallner : dans un échantillon de sédiment d'un gramme, peut-être quelques milliers d'atomes de fer-60 sont répartis comme des aiguilles dans une botte de foin parmi des milliards de milliards d'atomes de fer ubiquistes et stables avec une masse atomique de 56. De plus, même la méthode de mesure la plus sensible ne peut détecter qu'une particule sur cinq mille, c'est-à-dire un maximum de quelques atomes de fer-60 dans un échantillon de mesure typique.

De telles concentrations extrêmement faibles ne peuvent être déterminées qu'avec la spectrométrie de masse par accélérateur, ou AMS pour Accelerator Mass Spectrometry en anglais. L'une de ces installations, le DREAMS de Dresde, est située à l'HZDR, bientôt rejointe par le HAMSTER (Helmholtz Accelerator Mass Spectrometry Tracing Environmental Radionuclides). Étant donné que les installations AMS à travers le monde sont conçues différemment, les différentes installations peuvent se compléter mutuellement dans la recherche d'isotopes rares provenant des explosions de supernovae.

Les isotopes du même élément mais avec une masse différente, comme le fer-56 naturellement présent, sont éliminés avec des filtres de masse. Les atomes d'autres éléments ayant la même masse que l'objet cible, comme le nickel-60 naturellement présent, interfèrent également. Même après une préparation chimique très complexe des échantillons, ils sont toujours des milliards de fois plus abondants que le fer-60 et doivent être séparés dans une installation accélératrice spéciale utilisant des méthodes de physique nucléaire.

Au final, peut-être cinq atomes de fer-60 individuels sont identifiés dans un processus de mesure qui dure plusieurs heures. Des travaux pionniers sur la détection du fer-60 ont été réalisés à l'université technique de Munich. Actuellement, cependant, Canberra à l'université nationale australienne est la seule installation existante dans le monde suffisamment sensible pour effectuer de telles mesures.

En tout, seulement environ un millier d'atomes de fer-60 ont été mesurés au cours des 20 dernières années. Pour le plutonium-244 interstellaire, qui est présent dans des concentrations plus de 10 000 fois plus faibles, seules des données pour des atomes individuels étaient disponibles pendant longtemps. Il a fallu récemment le développement d'une infrastructure spécialisée à Sydney pour pouvoir déterminer environ une centaine d'atomes de plutonium-244 - similaire à l'infrastructure HAMSTER actuellement en cours de développement à l'HZDR.

Cependant, seuls certains échantillons sont adaptés à l'étude, agissant comme des archives pour préserver ces atomes venus de l'espace pendant des millions d'années. Les échantillons de la surface de la Terre, par exemple, sont rapidement « dilués » par des processus géologiques. Les sédiments et les croûtes du fond marin, qui se forment lentement et sans perturbations sur le fond de l'océan, sont idéaux. En alternative, les échantillons de la surface lunaire conviennent car les processus perturbateurs y sont presque inexistants.

Lors d'un voyage de recherche jusqu'au début de novembre 2023, Wallner et ses collègues chasseront d'autres isotopes cosmiques dans des installations AMS particulièrement adaptées dans les villes australiennes de Canberra (fer-60) et Sydney (plutonium-244). À cette fin, il a reçu un certain nombre d'échantillons lunaires de l'agence spatiale américaine, la 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.