La ricerca di testimoni di eventi astrofisici vicino alla Terra
Quando stelle di grandi dimensioni o corpi celesti esplodono nelle vicinanze della 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 con acceleratore (AMS). Una panoramica di questa affascinante ricerca è stata recentemente pubblicata sulla rivista scientifica Annual Review of Nuclear and Particle Science dal Prof. Anton Wallner dell’Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), che presto prevede di far progredire in modo decisivo questo promettente ramo della ricerca con la nuova e ultrasensibile struttura AMS “HAMSTER”.
Nel loro articolo, il fisico dell’HZDR Anton Wallner e il collega Prof. Brian D. Fields dell’Università dell’Illinois a Urbana, USA, forniscono una panoramica delle esplosioni cosmiche vicino alla Terra, con particolare attenzione agli eventi avvenuti tre e rispettivamente sette milioni di anni fa.
“Fortunatamente, questi eventi erano ancora abbastanza lontani, quindi probabilmente non hanno avuto un impatto significativo sul clima della Terra o su effetti importanti sulla biosfera. Tuttavia, le cose diventano davvero scomode quando le esplosioni cosmiche si verificano a una distanza di 30 anni luce o meno,” spiega Wallner. Convertito nell’unità astrofisica parsec, ciò corrisponde a meno di otto-dieci parsec.
La produzione di isotopi interstellari
Molti nuovi atomi vengono generati durante le esplosioni cosmiche o poco prima e durante la supernova – tra questi anche un certo numero di atomi radioattivi. Wallner è particolarmente interessato all’isotopo radioattivo del ferro con una massa atomica di 60. Circa la metà di questi isotopi, chiamati brevemente ferro-60, si trasformano in un isotopo stabile di nichel dopo 2,6 milioni di anni. Pertanto, tutto il ferro-60 che era presente alla formazione della Terra circa 4.500 milioni di anni fa è da tempo scomparso.
“Il ferro-60 è estremamente raro sulla Terra perché, con mezzi naturali, non viene prodotto in quantità significative. Tuttavia, viene prodotto in grandi quantità poco prima che si verifichi una supernova. Se questo isotopo si trova ora nei sedimenti dal fondo oceanico o nel materiale dalla superficie della luna, probabilmente proviene da una supernova o da un altro processo simile nello spazio che ha avuto luogo vicino alla Terra solo pochi milioni di anni fa,” riassume Wallner.
Le particelle di polvere come vettori cosmici
Ma come arrivano questi isotopi sulla Terra in primo luogo? Gli atomi di ferro-60 espulsi dalla supernova tendono a raggrupparsi in particelle di polvere. Lo stesso vale per gli isotopi di plutonio-244, che sono stati probabilmente creati in altri eventi e raccolti dall’involucro in espansione 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 individuali 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 infine depositarsi sulla superficie.
20 anni per solo mille atomi di ferro-60
Gli isotopi dello stesso elemento ma con una massa diversa, come il ferro-56 che si trova naturalmente, vengono rimossi con filtri di massa. Anche gli atomi di altri elementi con la stessa massa dell’oggetto di interesse ferro-60, ad esempio il nichel-60 che si trova naturalmente, interferiscono. Anche dopo una preparazione chimica molto complessa dei campioni, sono ancora miliardi di volte più abbondanti del ferro-60 e devono essere separati in un’apposita struttura acceleratrice utilizzando metodi di fisica nucleare.
Alla fine, forse cinque singoli atomi di ferro-60 vengono identificati in un processo di misurazione che dura diverse ore. Il lavoro pionieristico sulla rilevazione del ferro-60 è stato condotto alla TU Monaco. Attualmente, tuttavia, Canberra presso l’Australian National University è l’unica struttura esistente al mondo abbastanza sensibile da eseguire tali misurazioni.
In totale, solo circa mille atomi di ferro-60 sono stati misurati negli ultimi 20 anni. Per il plutonio-244 interstellare, che si trova in concentrazioni più di 10.000 volte inferiori, per lungo tempo sono stati disponibili solo dati per singoli atomi. Solo di recente è stato possibile determinare circa un centinaio di atomi di plutonio-244 presso un’infrastruttura specializzata a Sydney - simile alla struttura HAMSTER attualmente in fase di sviluppo presso l’HZDR.
Tuttavia, solo alcuni campioni sono adatti per l’indagine, che agiscono come archivi per preservare questi atomi provenienti dallo spazio per milioni di anni. I campioni dalla superficie terrestre, ad esempio, vengono rapidamente “diluiti” dai processi geologici. I sedimenti e le croste dal profondo mare, che si formano lentamente e indisturbati sul fondo oceanico, sono ideali. In alternativa, sono adatti i campioni dalla superficie lunare perché i processi di disturbo sono quasi inesistenti.
In un viaggio di ricerca fino all’inizio di novembre 2023, Wallner e i suoi colleghi cacciano ulteriori isotopi cosmici presso strutture AMS particolarmente adatte nelle città australiane di Canberra (ferro-60) e Sydney (plutonio-244). A tal fine, ha ricevuto una serie di campioni lunari dall’agenzia spaziale statunitense NASA.
“Le misurazioni parallele stanno avvenendo anche all’HZDR. Questi campioni unici ci permetteranno di ottenere nuove intuizioni sulle esplosioni di supernova vicino alla Terra, ma anche sugli elementi più pesanti della nostra galassia che si formano attraverso questi e altri processi,” è certo Wallner.
