“天外来客”:深海地壳中发现源自太空的罕见钚元素

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2021-05-22 05:46

北京时间 5 月 20 日消息,据国外媒体报道,科学家在深海地壳中发现来自太空的钚 - 244 元素,这是一种非常稀有的重金属,这项发现可揭晓重金属如何在恒星中形成。

在深海中发现的钚 - 244 同位素可能与铁 - 60 一起到达地球,铁 - 60 是一种较轻的金属,在超新星爆炸过程中形成。该发现表明,超新星爆炸过程中可能同时产生两种重金属,尽管也有可能存在其他事件,例如:中子星合并可能会形成一部分钚 - 244。

了解自然界重元素是如何形成的,是物理学最重要的三个问题之一,比铁更重的元素有一半是通过非常容易理解的聚变过程在恒星中心区域形成的,而另一半则需要高密度的自由中子才能形成。这意味着它们必须在一个比典型星核更具爆炸性的环境中形成,也许是超新星,或者是中子星合并等大规模事件。

研究人员都对地球上发现宇宙天体残骸迹象感兴趣,一些重金属的放射性是不会在地球上自然形成的,尤其是研究人员正在寻找的钚 - 244,它是半衰期为 8060 万年的钚变体,这意味着该元素放射性衰变需要 8060 万年才能消耗完最初产生的一半钚。他们发现在地球形成过程中出现的任何钚 - 244 元素都已衰变很久,因此他们发现的任何钚原子都可能来自外星球。

我们能在地球上找到钚 - 244 吗?如果可以,那么我们就一定知道它是“天外来客”

稀有金属

为了寻找这些稀有金属原子,研究人员从太平洋海底之下 1500 米地壳深处寻找,结果显示深海地壳之下的岩石层形成非常缓慢,1 毫米地壳记录了 40 万年的历史,他们发现的钚金属样本可追溯至 1000 多万年前

随后研究人员探测到铁 - 60(在超新星爆炸形成的铁元素)和钚 - 244 样本,发现铁 - 60 并不惊讶,因为研究曾发现深海沉积物和地壳中存在铁 - 60 元素指数波动,这项最新发现证实了之前研究人员的猜测:铁 - 60 指数存在两次增多 —— 一次发生在 420 万 - 5500 万年前,另一次发生在 700 万年前的某个时期。这些金属流入可能是两次时间较近超新星爆炸的结果。

发生超新星爆炸并产生铁 - 60 的过程一定非常壮观,在亮度上相当于现今人们看到的满月,所以即使在白天发生爆炸也能直接观看到。

之前研究人员缺乏灵敏度较高的方法来精确计算散落在地壳中极其稀有的钚 - 244 原子数量,但在最新研究中,他们使用了尖端技术和方法,最终他们实现了。目前,这种来自地外空间的钚元素何时到达地球很难精准确定,因为研究人员必须搜寻 300 万 - 500 万年前的地壳层,然而,钚 - 244 的流入确定与铁 - 60 的流入密切相关。

超新星爆炸的产物?

尽管钚 - 244 和铁 - 60 同时到达地球,表明它们可能都来自超新星爆炸过程,但科学家仍有诸多置疑,科学家试图计算机模拟超新星中形成重元素的过程都很难实现,这项最新研究发现的铁 - 60 和钚 - 244 的比例表明,在恒星爆炸之后,钚 - 244 数量比铁 - 60 数量少很多,可能仅是爆炸后形成元素的一小部分。

或许在深海地壳中发现的钚 - 244 原子根本不是来自超新星爆炸,钚 - 244 可能源自更早的一次天文事件,当一股含有铁 - 60 的冲击波朝向地球,推动较重的钚 - 244 一起掠过地球表面,之前很可能钚 - 244 在太空深处漫无目的地漂浮。在那种情况下,这两种元素会同时到达地球,但钚 - 244 更加古老。

为了探索这种可能性,研究人员希望观察具有不同半衰期的不同种类原子,这些半衰期就像一个时钟,因此科学家可以确定该元素形成年代的估计范围。例如:如果钚 - 244 与一种半衰期较短的元素一起被发现,那么这两种元素都“更年轻、更新鲜”。同时,这项研究还发现,超新星产生的钚 - 244 数量更低,地球上发现的多数钚 - 244 可能源自其他天文事件,例如:中子星合并。

目前,研究人员开始研究一块更大面积的地壳,拥有一块更大面积地壳进行勘测,将扩大研究人员对钚 - 244 的搜索范围,并获得这些原子抵达地球的精确时间轴。

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