Questa ricerca potrebbe permettere agli scienziati di ottenere una visione più chiara su come le stelle terminano la loro esistenza e forniscono materiale per la formazione di nuove generazioni di stelle, pianeti, lune e talvolta anche forme di vita, come nel caso della Terra.
La tecnica si basa sul rilevamento migliorato di un isotopo di ferro raro, trovato in quantità infinitesimali nella polvere lunare. Questo isotopo di ferro è stato forgiato milioni di anni fa nei nuclei di stelle massicce di generazioni precedenti. Quando queste stelle hanno perso la loro battaglia contro la gravità, terminando la loro vita in esplosioni di supernova, gli isotopi sarebbero stati rilasciati e dispersi nell’universo, inclusa, si ritiene, la Luna.
Quando la prima generazione di stelle è nata tra 200 milioni e 400 milioni di anni dopo il Big Bang, l’universo era composto principalmente da idrogeno, con una piccola quantità di elio. A quel tempo, c’erano pochissimi atomi di elementi più pesanti, che gli astronomi chiamano metalli.
Ciò significa che le prime stelle, paradossalmente chiamate stelle di Popolazione III, erano composte da idrogeno, un po’ di elio e quasi nessun metallo. Mentre queste stelle vivevano, i processi di fusione nucleare nei loro nuclei, trasformando l’idrogeno in elio, permettevano loro di brillare intensamente nell’universo. Questo processo di fusione forniva anche la pressione di radiazione esterna che impediva la forza di gravità interna di farle collassare.
Tuttavia, quando l’idrogeno nel nucleo di queste stelle si esauriva, l’equilibrio tra la pressione di radiazione e la gravità terminava, con quest’ultima che risultava vincitrice. Così, i nuclei delle stelle collassavano mentre i loro strati esterni, dove ancora avveniva la fusione nucleare, venivano espulsi.
Per le stelle con masse simili a quella del sole, ciò comporta che i loro nuclei stellari diventano stelle nane bianche, circondate da una nube di materiale stellare che si disperde e si raffredda gradualmente. Questo non è il destino delle stelle con almeno otto volte la massa del sole.
Quando queste stelle massicce collassano, la pressione generata nei loro nuclei innescava la fusione nucleare dell’elio in altri elementi più pesanti. Per le stelle più massicce, questo processo si ripete fino a quando il nucleo è riempito di ferro, l’elemento più pesante che una stella può forgiare.
Dopo ciò, il nucleo di una stella massiccia collassa nuovamente, e viene innescata un’esplosione di supernova. Questa esplosione, a sua volta, rilascia tutti gli elementi generati dalla stella durante la sua vita e li disperde nella galassia circostante. La stella diventa quindi un denso resto stellare: una stella di neutroni o, in casi di collasso gravitazionale completo, un buco nero.
Il team interessato alla tracciatura della polvere lunare è concentrato su un tracciante di questo processo di riciclaggio cosmico che non è un elemento forgiato durante la vita della stella, ma piuttosto un isotopo raro creato durante una supernova.
Ferro-60: dalle supernove alla Luna
Gli atomi sono composti da tre particelle: nel nucleo atomico risiedono protoni carichi positivamente e neutroni neutri, mentre intorno a questo nucleo, elettroni carichi negativamente si muovono velocemente.
Gli elementi sono definiti dal numero di protoni contenuti nel loro nucleo atomico. Quindi, un atomo con sei protoni nel suo nucleo è sempre carbonio. Aggiungendo un altro protone, diventa un atomo di azoto. Tuttavia, gli elementi hanno più flessibilità quando si tratta del numero di neutroni nel loro nucleo.
Un atomo di carbonio può avere sei protoni e sei neutroni, oppure sei protoni e sette neutroni, o sei protoni e otto neutroni. Queste diverse variazioni di atomi dello stesso elemento sono chiamate isotopi di quell’elemento. Un atomo di carbonio con sei protoni e sei neutroni è chiamato carbonio-12.
Alcuni di questi isotopi, specialmente quelli più pesanti, sono instabili e subiscono un processo chiamato decadimento radioattivo. Il periodo durante il quale impiega la metà di una data quantità di un isotopo radioattivo a decadere è chiamato emivita.
Quando le supernove eruttano, in pochi secondi, rilasciano tanta energia quanto il sole irradierebbe in miliardi di anni. Questo fornisce le condizioni necessarie per forgiare isotopi radioattivi pesanti. Il team sta cercando di migliorare i modi per cacciare un isotopo radioattivo di ferro chiamato ferro-60 nella polvere lunare.
Ferro-60 ha un nucleo atomico contenente 26 protoni e 34 neutroni, e la sua emivita è di circa 2,3 milioni di anni. Sebbene una supernova possa creare ferro-60 in quantità equivalenti a circa 10 volte la massa della Terra, tuttavia, la produzione di questo isotopo all’interno del sistema solare è trascurabile. Gli scienziati prevedono che, nell’intera Via Lattea, le supernove si verificano circa tre volte ogni 100 anni, con esplosioni stellari “vicine” ancora meno frequenti, che si verificano una volta ogni milione di anni.
Trovare ferro-60 sulla Terra o sulla Luna è un buon indicatore di una supernova scoppiata relativamente vicino al sistema solare, entro circa 100 anni luce, nella storia recente del nostro pianeta vecchio di 4,6 miliardi di anni.
La scarsità di ferro-60 e l’effetto di altri elementi interferenti più comuni, tuttavia, hanno reso estremamente difficile rilevare la sua bassa abbondanza per spettrometri a bassa sensibilità. Per contrastare ciò, si sono apportate modifiche all’impianto acceleratore tandem HI-13 del CIAE. Questo ha comportato l’aggiunta di un filtro di Wien, che è un dispositivo che può essere utilizzato per selezionare particelle cariche che viaggiano a velocità specifiche, per condurre spettrometria di massa con acceleratore (AMS).
Il team ha scoperto che l’AMS è in grado di rilevare il ferro-60 in campioni simulati con una sensibilità ben oltre ciò che può essere raggiunto dalla tecnologia tipicamente utilizzata per questi studi.
Il team del CIAE ritiene che sia ora possibile spingere ulteriormente le sensibilità di rilevamento del loro sistema AMS, uno sviluppo che potrebbe migliorare notevolmente la nostra comprensione delle stelle che sono morte in esplosioni di supernova.
La ricerca del team è stata pubblicata il 24 maggio sulla rivista Nuclear Science and Techniques.