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铁-60同位素揭开天文历史研究新篇章 精选

已有 5761 次阅读 2023-10-21 15:10 |个人分类:地球科学|系统分类:观点评述

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图1. 发现太平洋海洋沉积物中的“活性”铁-60与270万年前的事件相关。©Simon Swordy,芝加哥大学,NASA宇宙射线一直在撞击我们的大气层,但它们的能量被用来撞击原子,从而产生了能量较低的次级粒子阵雨,其中一些有时会落到地面上。

提到铁大家都知道,它是我们日常生活中常见的金属。但是你知道吗,我们接触的大部分铁都是铁-56,还有少量的铁-54、铁-57和铁-58。你会惊讶地发现,我们平时用的铁里面竟然没有铁-60。这是因为铁-60的存在时间太短了,大约只有260万年。考虑到地球年龄约为45亿年,如果起初有铁-60存在,现在也都已经消失了。

但是,科学家们用一种非常敏感的技术,在太平洋海底岩石中发现了微量的铁-60同位素(大约每个样本中都有几十个铁-60原子)。这些铁-60并不是均匀分布在岩石样本中的,而是只存在于特定的深度。这引起了科学家们的浓厚兴趣。我们知道,海底岩石不同深度的样本就像树的年轮一样,记录了不同年代的信息。既然这些铁-60不可能来自地球形成的原始物质,那它们是从哪里来的呢?又为什么会出现在地球上呢?

目前最合理的解释是,这些铁-60来自地球附近很久以前某次超新星爆发事件。科学家通过分析发现,这次超新星爆发大约发生在300万年前。有趣的是,科学家们还分析了阿波罗号探月飞船带回的月球表面样本,也发现了铁-60的痕迹,这进一步证实了地球附近发生过超新星爆发的猜想。

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图2. 海底岩石样本中不同年代(深度)处铁-60的含量(Wallner 2021)

关于铁-60的合成


    你可能好奇,铁-60是如何生成的?又是如何来到地球的呢?当恒星形成时,其中的“原材料”含有微量铁元素,与我们日常使用的铁相似,但不含铁-60。在恒星演化的某些阶段,铁-58会吸收一个中子变成铁-59。铁-59有两种变化方式:一种是通过β衰变转变成钴-59,另一种是吸收另一个中子转变成铁-60。这就是铁-60从无到有的奇妙过程。
当恒星演化到末期,会通过超新星爆发向宇宙中喷射物质,其中包括铁-60同位素。如果这个超新星爆发距离地球足够近,一些铁-60原子就会飘落在地球上,最终在300万年后被科学家发现。或许你会好奇铁-59选择了转变成铁-60还是钴-59。为了解答这个问题,科学家必须精确测量铁-59的β衰变速率和吸收中子的速率,以确定二者之间的比率。这样才能更清楚地了解铁-60的来源以及它们来自宇宙的距离,甚至确认它们来自哪颗恒星。这项研究吸引了天文学家、天体物理学家和核物理学家的浓厚兴趣,是当前国际研究的一个热点之一。
超新星爆发对地球的影响
此外,在300万年前,那次超新星爆发不仅向地球投放了铁-60,还有其他元素的同位素以及大量高能γ射线等。这些高能γ射线可以导致大气中的氮气与氧气反应形成氮氧化物,最终导致臭氧层减少,使地球生物受到强烈紫外线的照射。来自超新星的辐射还会引起大气层电离,可能导致雷电等一系列效应,对当时的生态环境和全球气候造成了影响。
有趣的是,大约在同一时期(250万年前),全球气候发生了剧烈变化,从较温暖的上新世转变为较冷的更新世(也称冰川世),同时人类也出现了。尽管目前我们还不能确定超新星爆发和更新世的出现是否有关联,但这无疑是一个非常有趣的研究领域。


image.png  图3.   Credit: A. Wallner et al., Phys. Rev. Lett. (2015)

铁-60的半衰期测定


 多年来,科学家们尝试了各种技术来测量这种同位素的半衰期,但是没有办法做到足够精确以使结果有用。例如,1984年一个团队尝试测量结果大约为150万年,而2009年的另一次努力则估计为260万年——这样的差异阻碍了铁-60作为计时器的使用。在这项新的努力中,研究人员首先使用了与1984年团队相同的技术,即加速器质谱分析。
这使他们能够测量样本中铁-60的浓度。然后,他们没有直接使用同位素本身的半衰期,而是将他们发现的同位素数量与铁-55的浓度进行了比较,从而将铁-60的半衰期测定为260万年(与2009年团队的发现相同),其不确定度仅为百分之二。这个精度足够低,可以将这种同位素用作计时器——研究人员可以用它来计算宇宙过程的时间尺度。人们相信,使用铁-60作为计时器将有助于确定超新星和其他恒星等事件的年代。


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图4. ©Marianne Hanzlik,化学系,FG Elektronenmikroskopie, Technische Universität m<e:1> nchen这些是透射电子显微镜图像,显示了含有铁-60的微小磁化石,铁-60是一种铁的形式,在超新星的大质量恒星剧烈爆炸和死亡期间产生。它们是由细菌沉积在太平洋海底的沉积物中


澳大利亚国立大学的Wallner与来自奥地利、新西兰等国的科学家合作,采用一种全新的测试法,成功证实铁-60的半衰期为260万年,而且精确度高达误差控制在2%以内。为了解决关于铁-60半衰期的最新差异, Wallner新的方法进行了独立测量,利用加速器质谱测量了一种物质中相对于55Fe(t1/2 = 2.744年)的60Fe含量。结果为(2.50±0.12)× 10^6年,明显支持最近报道的值(2.62±0.04)× 10^6年,并排除了较早的结果(1.49±0.27)× 10^6年。目前加权平均半衰期值为(2.60±0.05)× 10^6年,大大提高了其在百万年时间范围内作为重要年代学工具的可靠性。这包括将其用作敏感探针,研究我们银河系最近的化学演化、早期阳系的形成、大质量恒星的核合成过程,以及作为附近超新星的指示器。
常,测量半衰期的方法是利用不同型号的光谱分析仪测定核样本每秒的衰变速率。在测量60Fe半衰期的过程中,科学家们探测了子核60Co放射的伽马射线,这并非易事。Wallner解释说,这项实验有两个关键因素。首先,他们需要足够的60Fe原子核样本,以产生明显的放射现象。其次,团队必须精确地知道样本中60Fe原子核的数量,而这个数字恰恰与半衰期直接相关,因此整个测量过程颇为复杂。
Wallner团队使用加速器质谱分析法确定样本中微量的60Fe同位素浓度,这种方法比起之前的电感耦合等离子体质谱分析更为优越。沃尔尼表示,尽管加速器质谱仪的设置更为复杂,可能会引入一些系统误差,但研究人员有信心将其消除。他强调他们的目标是获得一个准确的数值,即使不及等离子体质谱分析结果的精确度。为了解释测量误差,他们将测得的同位素量与另一种罕见的同位素55Fe浓度进行了比较,而非直接使用60Fe的半衰期。
  确定铁-60的半衰期对天文学有着深远影响,因为这些古老的放射性核素(其半衰期可长达0.3至8100万年)的存在使天文学家能够推测它们形成的时序表,包括超新星和中小质量行星的形成。同时,铁-60是由59Fe通过中子捕获生成的,而中子捕获截面与半衰期直接相关,因此了解半衰期值十分关键。目前,国际伽玛射线天体物理学实验室(INTEGRAL)等卫星可以通过计数星际介质中铝-26(26Al)和铁-60(60Fe)元素的衰减来探测星系中“近期”发生的情况,这也需要精确的半衰期值。


参考文献

Wallner, A., Froehlich, M. B., Hotchkis, M. A. C., Kinoshita, N., Paul, M., Martschini, M., ... & Yamagata, T. (2021). 60Fe and 244Pu deposited on Earth constrain the r-process yields of recent nearby supernovae. Science372(6543), 742-745.

Wallner, A., Bichler, M., Buczak, K., Dressler, R., Fifield, L. K., Schumann, D., Sterba, J. H., Tims, S. G., Wallner, G., & Kutschera, W. (2015). Settling the Half-Life of 60Fe: Fundamental for a Versatile Astrophysical Chronometer. Phys. Rev. Lett. 114, 041101. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.114.041101

Quitté, G., Markowski, A., Latkoczy, C., Gabriel, A., & Pack, A. (2010). Iron-60 heterogeneity and incomplete isotope mixing in the early solar system. The Astrophysical Journal720(2), 1215.

Kodolányi, J., Hoppe, P., Vollmer, C., Berndt, J., & Müller, M. (2022). The Early Solar System Abundance of Iron-60: New Constraints from Chondritic Silicates. The Astrophysical Journal940(1), 95.

Quitté, G., Halliday, A. N., Meyer, B. S., Markowski, A., Latkoczy, C., & Günther, D. (2007). Correlated iron 60, nickel 62, and zirconium 96 in refractory inclusions and the origin of the solar system. The Astrophysical Journal655(1), 678.




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