L'enigma del Ferro-60: Decifrare le esplosioni cosmiche sulla Terra

La Terra porta le cicatrici delle supernove vicine attraverso tracce di isotopi unici come il ferro-60 e il plutonio-244, trovati nei sedimenti e nei campioni lunari. Questi resti cosmici, rilevati utilizzando metodi avanzati come la spettrometria di massa ad acceleratore, rivelano una storia di esplosioni stellari massive nel nostro vicinato cosmico.

Quando stelle o corpi celesti di grandi dimensioni esplodono vicino alla Terra, i loro detriti possono raggiungere il nostro sistema solare. Le prove di questi eventi cosmici si trovano sulla Terra e sulla Luna, rilevabili attraverso la spettrometria di massa ad acceleratore (AMS). Una panoramica su questa emozionante ricerca è stata recentemente pubblicata nella rivista scientifica Annual Review of Nuclear and Particle Science dal Prof. Anton Wallner dell'Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), che presto pianifica di far avanzare decisivamente questo promettente ramo di ricerca con la nuova struttura AMS "HAMSTER" ultra sensibile.

Nel loro articolo, il fisico dell'HZDR Anton Wallner e il collega Prof. Brian D. Fields dall'Università dell'Illinois a Urbana, USA, forniscono una panoramica sulle esplosioni cosmiche vicine alla Terra con un particolare focus sugli eventi che sono avvenuti rispettivamente tre e sette milioni di anni fa.

"Fortunatamente, questi eventi erano ancora abbastanza distanti, quindi probabilmente non hanno influenzato significativamente il clima della Terra o hanno avuto effetti significativi sulla biosfera. Tuttavia, le cose diventano davvero scomode quando le esplosioni cosmiche avvengono ad una distanza di 30 anni luce o meno", spiega Wallner. Convertito nell'unità astrofisica parsec, ciò corrisponde a meno di otto-dieci parsec.

Una volta che le stelle massive hanno consumato tutto il loro combustibile, i loro nuclei collassano in una stella di neutroni ultra-densa o in un buco nero, mentre allo stesso tempo, il gas caldo viene espulso ad alta velocità. Una grande parte del gas e della polvere finemente dispersi tra le stelle viene trasportata da un'onda d'urto in espansione. Come un gigantesco pallone con urti e ammaccature, questa involucro raccoglie anche qualsiasi materiale già presente nello spazio. Dopo molti migliaia di anni, i resti di una supernova si sono espansi fino a un diametro di diversi 10 parsec, diffondendosi sempre più lentamente fino a quando il movimento alla fine si ferma.

Le misurazioni della spettrometria di massa ad acceleratore (AMS) di questa crosta di ferromanganese dell'Oceano Pacifico hanno rivelato ferro-60 interstellare, manganese-53 e plutonio-244. Sono inclusi atomi che risalgono a oltre 20 milioni di anni fa. La moneta come scala ha un diametro di 3,2 cm. Credito: HZDR

Un'esplosione vicina ha il potenziale per disturbare gravemente la biosfera della Terra e causare un'estinzione di massa simile all'impatto di un asteroide avvenuto 66 milioni di anni fa. I dinosauri e molte altre specie animali sono state vittime di quell'evento. "Se consideriamo il periodo di tempo dalla formazione del sistema solare, che copre miliardi di anni, non possiamo escludere esplosioni cosmiche molto vicine", sottolinea Wallner.

Tuttavia, le supernove si verificano solo in stelle molto pesanti con più di otto-dieci volte la massa del nostro Sole. Queste stelle sono rare. Uno dei candidati più vicini di questa dimensione è la supergigante rossa Betelgeuse nella costellazione di Orione, situata a una distanza sicura di circa 150 parsec dal nostro sistema solare.

Sono generati molti nuovi atomi durante le esplosioni cosmiche o poco prima e durante la supernova, tra cui anche una serie di atomi radioattivi. Wallner è particolarmente interessato all'isotopo radioattivo di ferro con una massa atomica di 60. Circa la metà di questi isotopi, chiamati brevemente ferro-60, si è trasformata in un isotopo di nichel stabile dopo 2,6 milioni di anni. Pertanto, tutto il ferro-60 presente alla formazione della Terra circa 4.500 milioni di anni fa è scomparso da molto tempo.

"Il ferro-60 è estremamente raro sulla Terra perché, per via naturale, non viene prodotto in quantità significative. Tuttavia, viene prodotto in grandi quantità poco prima che avvenga una supernova. Se questo isotopo viene rilevato nei sedimenti del fondale oceanico o nel materiale dalla superficie della Luna, probabilmente proviene da una supernova o da un altro processo simile nello spazio avvenuto vicino alla Terra solo pochi milioni di anni fa", riassume Wallner.

Il fisico dell'HZDR Prof. Anton Wallner è uno specialista nella ricerca di materia interstellare utilizzando la Spettrometria di Massa ad Acceleratore (AMS). Wallner e i suoi colleghi in Australia sono attualmente alla ricerca di ulteriori isotopi cosmici - a Canberra cercano atomi Fe-60, a Sydney cercano atomi PU-244. A tal fine, ha ricevuto diversi campioni lunari dall'agenzia spaziale statunitense NASA. Credito: ANU

Lo stesso vale per l'isotopo di plutonio con una massa atomica di 244. Tuttavia, questo plutonio-244 è più probabilmente generato dalla collisione di stelle di neutroni che dalle supernovae. Quindi, è un indicatore della nucleosintesi di elementi pesanti. Dopo un periodo di 80 milioni di anni, circa la metà dell'isotopo di plutonio-244 si è trasformata in altri elementi. Pertanto, il plutonio-244, che decade lentamente, è, oltre al ferro-60, un altro indicatore di eventi galattici e della produzione di nuovi elementi negli ultimi milioni di anni.

"Esattamente quanto spesso, dove e in quali condizioni sono prodotti questi elementi pesanti, è attualmente oggetto di un intenso dibattito scientifico. Anche il plutonio-244 richiede eventi esplosivi e, secondo la teoria, viene prodotto in modo simile agli elementi oro o platino, che sono sempre esistiti naturalmente sulla Terra ma che oggi consistono in atomi stabili", spiega Wallner.

Ma come arrivano questi isotopi sulla Terra in primo luogo? Gli atomi di ferro-60 espulsi dalla supernova tendono a riunirsi in particelle di polvere. Lo stesso accade per gli isotopi di plutonio-244, che sono stati creati in altri eventi e raccolti dall'involucro espanso della supernova. Dopo esplosioni cosmiche a una distanza di più di dieci ma meno di 150 parsec, secondo la teoria, il vento solare e il campo magnetico dell'eliosfera impediscono agli atomi singoli di raggiungere la Terra. Tuttavia, gli atomi di ferro-60 e plutonio-244 intrappolati nelle particelle di polvere continuano a volare verso la Terra e la Luna, dove possono eventualmente colare sulla superficie.

Anche con una supernova che si verifica nel cosiddetto "raggio di morte" di meno di dieci parsec, nemmeno un microgrammo di materia da l'involucro atterrerà su ogni centimetro quadrato. Infatti, solo pochissimi atomi di ferro-60 per centimetro quadrato raggiungono la Terra ogni anno. Questo pone una sfida enorme agli "investigatori" come il fisico Anton Wallner: in un campione di sedimenti di un grammo, forse qualche migliaio di atomi di ferro-60 sono distribuiti come aghi in un pagliaio tra miliardi di miliardi di atomi di ferro ubique e stabili con una massa atomica di 56. Inoltre, anche il metodo di misurazione più sensibile può rilevare solo ogni cinquemillesimo particella, ovvero al massimo solo alcuni atomi di ferro-60 in un campione di misurazione tipico.

Concentrazioni estremamente basse come queste possono essere determinate solo con la Spettrometria di Massa con Acceleratore, abbreviato in AMS. Una di queste strutture, lo Spettrometro di Massa con Acceleratore di Dresda (DREAMS), si trova presso l'HZDR, a cui si unirà presto l'Acceleratore di Massa con Spettrometro Traccia Radionuclidi Ambientali dell'Energia di Helmholtz (HAMSTER). Dal momento che le strutture AMS in tutto il mondo sono progettate in modo diverso, le varie strutture possono integrarsi nella ricerca di isotopi rari provenienti da esplosioni di supernova.

Gli isotopi dello stesso elemento ma con una massa diversa, come il ferro-56 naturalmente presente, sono rimossi con filtri di massa. Gli atomi di altri elementi con la stessa massa dell'oggetto di interesse ferro-60, ad esempio il nichel-60 naturalmente presente, interferiscono anche loro. Anche dopo una preparazione chimica molto complessa dei campioni, sono ancora miliardi di volte più abbondanti del ferro-60 e devono essere separati in una struttura di acceleratore speciale utilizzando metodi di fisica nucleare.

Alla fine, forse cinque atomi di ferro-60 individuali vengono identificati in un processo di misurazione che dura diverse ore. Lavori pionieristici sulla rivelazione di ferro-60 sono stati condotti presso la TU Monaco. Attualmente, tuttavia, Canberra presso l'Università Nazionale Australiana è l'unica struttura esistente al mondo abbastanza sensibile da eseguire tali misurazioni.

In totale, negli ultimi 20 anni sono state misurate solo circa mille atomi di ferro-60. Per il plutonio-244 interstellare, che si trova in concentrazioni oltre 10.000 volte più basse, per molto tempo sono state disponibili solo informazioni su atomi singoli. Solo di recente è stato possibile determinare circa un centinaio di atomi di plutonio-244 presso una struttura specializzata a Sydney - simile alla struttura HAMSTER attualmente in fase di sviluppo presso l'HZDR.

Tuttavia, solo determinati campioni sono adatti all'indagine, agendo come archivi per conservare questi atomi provenienti dallo spazio per milioni di anni. Ad esempio, i campioni dalla superficie terrestre vengono rapidamente "diluiti" dai processi geologici. I sedimenti e le croste dal mare profondo, che si formano lentamente indisturbate sul fondo dell'oceano, sono ideali. In alternativa, sono adatti campioni dalla superficie lunare poiché i processi di disturbo sono quasi inesistenti.

In un viaggio di ricerca fino all'inizio di novembre 2023, Wallner e i suoi colleghi cacceranno ulteriori isotopi cosmici presso strutture AMS particolarmente adatte nelle città australiane di Canberra (ferro-60) e Sydney (plutonio-244). A tal fine, ha ricevuto un certo numero di campioni lunari dall'agenzia spaziale statunitense 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.