Аннотация:
Когда массивная звезда достигает конца своей жизни, она часто выбрасывает большое количество материала в космос в виде взрыва сверхновой. Этот материал, созданный в результате смерти звезды, может путешествовать на сотни световых лет, чтобы достичь близлежащих тел, включая Землю и Луну. Теперь новое исследование, проведенное исследователями из Гавайского университета в Маноа, предполагает, что лунный грунт на поверхности Луны может сохранять записи о взрывах сверхновых, охватывающие период от 80 до 100 миллионов лет или даже дольше. Исследователи создали набор математических моделей, позволяющих по-новому интерпретировать этот период космической истории на основе лунного грунта, который постоянно перемешивался.
Это исследование было завершено Эмили Костелло, исследователем из Института геофизики и планетологии Гавайского университета, и ее сотрудниками. Соответствующая статья опубликована в журнале Physical Review Letters. Суть исследования заключается не в простом поиске «звездной пыли» в лунном грунте, а в решении более сложной проблемы: после того, как эти материалы взрыва далеких звезд достигают Луны, они не остаются там, где изначально упали, навсегда. Вместо этого они постоянно подвергаются воздействию метеоритов и астероидов на протяжении десятков миллионов лет, их выкапывают, закапывают, уплотняют и снова перемешивают. Поэтому исследователям необходимо построить модели, которые смогут восстановить этот давний «хаос» в читаемую запись времени.
По сравнению с Землей Луна имеет совершенно особое преимущество. Морские отложения на Земле также могут сохранять радиоактивные материалы из межзвездного пространства, но из-за влияния морских отложений, геологической деятельности и других экологических процессов соответствующие записи, которые можно проследить, составляют всего около 10 миллионов лет. На Луне нет атмосферы, жидких океанов и активной тектоники плит. Хотя материалы на поверхности постоянно подвергаются воздействию метеоритов, они не подвергаются эрозии и геологическим циклам, подобным земным. Таким образом, лунный реголит может фактически действовать как долговременный космический архив, сохраняя материал от взрывов далеких звезд в течение десятков миллионов лет.
Исследователи сосредоточились конкретно на процессе, известном как «ударная вспашка». Лунная поверхность уже давно подвергается бомбардировке ударными объектами разных размеров: от крошечных частиц пыли до крупных астероидов. Каждый удар может взорвать поверхность лунного грунта и поднять более глубокие материалы вверх. После миллионов или даже десятков миллионов лет повторяющихся действий первоначально относительно четкая слоистая структура постепенно стала хаотичной. Поэтому, если ученые сегодня пробурят на Луне керн лунного грунта, даже если они найдут какой-то радиоактивный изотоп сверхновой, они не смогут просто предположить, что его глубина соответствует времени прибытия на Луну.
Команда Костелло создала единую стохастическую модель, описывающую процесс транспортировки материалов в лунном грунте как долгосрочную конкуренцию между захоронением и раскопками. С одной стороны, новый лунный грунт продолжает покрывать и погребать ранее отложенные материалы; с другой стороны, удары метеоритов будут повторно раскапывать подземные материалы и смешивать их с лунным грунтом на других глубинах. Модель также учитывает такие факторы, как уплотнение при ударе, раскопки, перенос материалов, космическое выветривание и радиоактивный распад, а также добавляет ситуацию, когда сверхновые доставляют межзвездную пыль в окрестности Солнечной системы в виде импульсов.
Предыдущие исследования глубоководных отложений Земли и лунных образцов программы «Аполлон» предоставили важные доказательства того, что взрывы сверхновых на расстоянии сотен световых лет когда-то доставляли радиоактивные изотопы на Землю и Луну. Ученые обнаружили, что около 2,3 миллиона лет назад и 7,3 миллиона лет назад произошли два относительно ясных события осаждения материала сверхновых. После прибытия на Луну изотопные сигналы, оставленные этими событиями, постепенно подвергались влиянию ударной распашки и повторно рассеивались на разные глубины.
Исследователи сначала протестировали модель, используя керны лунного грунта, собранные миссиями «Аполлон». Результаты показывают, что модель может относительно точно воспроизвести фактическое распределение радиоактивных изотопов, таких как железо-60, в лунном грунте, поскольку оно меняется с глубиной. Возраст соответствующих изотопов ранее независимо ограничивался треками космических лучей и другими радионуклидными показателями, что обеспечивает важную основу для проверки модели.
После того, как модель была проверена, исследователи дополнительно вводят в модель установленную временную шкалу событий сверхновых на Земле, чтобы смоделировать распределение по глубине этих материалов от звездных взрывов после миллионов лет удара и вспашки лунного грунта. Затем исследовательская группа расширила модель, включив в нее более тяжелые элементы, имеющие потенциальную исследовательскую ценность, включая плутоний-244, йод-129, гафний-182, кюрий-247 и т. д., чтобы предсказать, какие космические химические сигналы ученые могут обнаружить после получения образцов на более глубоких участках Луны в будущем.
Среди них плутоний-244 привлек особое внимание из-за его длительного периода полураспада, который теоретически может помочь ученым отслеживать более отдаленные звездные взрывы. Поступление межзвездного вещества из разных источников и в разных временных масштабах может образовывать разные кривые концентрации в лунном грунте. Если удастся получить достаточно глубокие и хорошо сохранившиеся ядра лунного грунта, у ученых появится возможность отличить краткий и концентрированный взрыв сверхновой от долговременного и устойчивого поступления межзвездного материала.
Это также означает, что Луна может не только сохранять лунную геологическую историю, с которой знакомы люди, но и сохранять записи звездной активности, которую регион Солнечной системы пережил за последние десятки миллионов или даже сотни миллионов лет. Другими словами, некоторые атомы лунного грунта, возможно, произошли от давно потерянных звезд, а взрывы этих звезд произошли до того, как появились люди или даже большая часть современной жизни на Земле.
Исследователи полагают, что будущие миссии по исследованию Луны станут ключом к дальнейшей проверке этой идеи. Артемида планирует снова отправить астронавтов на Луну в будущем и, как ожидается, соберет более глубокие и систематические образцы лунного грунта, чем в эпоху Аполлона. Если эти миссии смогут получить ядра достаточной глубины, исследователи смогут использовать проверенную модель «ударной вспашки», чтобы обратно расшифровать нарушенное распределение изотопов в лунном грунте, тем самым восстановив более длительную историю активности сверхновых.
Костелло заявил, что новые образцы, полученные с Луны, в будущем, если их объединить с этой моделью, могут раскрыть историю сверхновых во Вселенной вблизи людей, которая никогда раньше не регистрировалась. Для ученых действительно ценно не просто обнаружить определенный элемент в звезде, но использовать глубину, концентрацию и законы радиоактивного распада этих элементов, чтобы определить, когда они прибыли на Луну, в результате каких звездных событий они произошли и какую галактическую среду переживала Солнечная система в течение длительного времени.
Это исследование также привело к довольно уникальному изменению ценности Луны. Породы на Земле постоянно меняют форму под воздействием выветривания, осадконакопления, таяния и движения плит. Хотя океанские отложения могут сохранять некоторое количество межзвездного материала, трудно обеспечить непрерывную запись на протяжении более десятков миллионов лет. Лунная поверхность, которая, кажется, постоянно подвергается ударам метеоритов и является грязной, на самом деле может быть просто природным архивом, который был «неупорядочен». Пока ученые овладеют правильными физическими законами, из этого хаоса можно будет восстановить информацию о времени.
Если в будущем отбор проб из глубин Луны окажется успешным, люди смогут использовать ядро лунной почвы, чтобы проследить следы, оставленные взрывами древних сверхновых, и продолжить изучение изменений в звездной среде, которые испытывает Солнечная система во время ее долгой работы в Млечном Пути. На Луне эти материалы, оставшиеся после гибели далеких звезд, возможно, спали там сотни миллионов лет, а люди только начали осваивать метод чтения этого космического архива.
Комментарии