La Terre porte les cicatrices des supernovae voisines grâce aux traces d’isotopes uniques comme le fer 60 et le plutonium 244, trouvés dans les sédiments et les échantillons lunaires. Ces restes cosmiques, détectés à l’aide de méthodes avancées telles que la spectrométrie de masse par accélérateur, révèlent une histoire d’explosions stellaires massives dans notre voisinage cosmique.
Recherche de témoins d’événements astrophysiques proches de la Terre.
Lorsque de grandes étoiles ou corps célestes explosent près de la Terre, leurs débris peuvent atteindre notre système solaire. Des preuves de ces événements cosmiques se trouvent sur Terre et sur la Lune, détectables par spectrométrie de masse par accélérateur (AMS). Un aperçu de cette recherche passionnante a été récemment publié dans la revue scientifique Revue annuelle de la science nucléaire et des particules par le professeur Anton Wallner du Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), qui prévoit bientôt de faire progresser de manière décisive cette branche de recherche prometteuse avec la nouvelle installation AMS ultrasensible « HAMSTER ».
Dans leur article, le physicien Anton Wallner du HZDR et son collègue le professeur Brian D. Fields de l’Université de l’Illinois à Urbana, aux États-Unis, donnent un aperçu des explosions cosmiques géocroiseurs avec un accent particulier sur les événements qui se sont produits respectivement trois et sept millions de personnes. il y a des années.
« Heureusement, ces événements étaient encore suffisamment éloignés et n’ont donc probablement pas eu d’impact significatif sur le climat terrestre ni d’effets majeurs sur la biosphère. Cependant, les choses deviennent vraiment inconfortables lorsque des explosions cosmiques se produisent à une distance de 30 années-lumière ou moins », explique Wallner. Converti en unité astrophysique parseccela correspond à moins de huit à dix parsecs.
Une fois que les étoiles massives ont brûlé tout leur combustible, leurs noyaux s’effondrent en un noyau ultra-dense. étoile à neutrons ou un trou noir, tandis qu’en même temps, les gaz chauds sont éjectés vers l’extérieur à grande vitesse. Une grande partie des gaz et des poussières finement dispersés entre les étoiles sont emportées par une onde de choc en expansion. Tel un ballon géant avec des bosses et des bosses, cette enveloppe balaie également tout matériau déjà présent dans l’espace. Après plusieurs milliers d’années, les restes d’une supernova se sont étendus jusqu’à atteindre un diamètre de plusieurs 10 parsecs, s’étendant de plus en plus lentement jusqu’à ce que le mouvement cesse finalement.
Les mesures par spectrométrie de masse par accélérateur (AMS) de cette croûte de ferromanganèse de l’océan Pacifique ont révélé du fer-60, du manganèse-53 et du plutonium-244 interstellaires. Sont inclus des atomes datant de plus de 20 millions d’années. La pièce en guise d’échelle a un diamètre de 3,2 cm. Crédit : HZDR
Une explosion à proximité pourrait potentiellement perturber gravement la biosphère terrestre et provoquer une extinction massive similaire à l’impact d’un astéroïde il y a 66 millions d’années. Les dinosaures et bien d’autres animaux espèces a été victime de cet événement. « Si l’on considère la période écoulée depuis la formation du système solaire, qui s’étend sur des milliards d’années, des explosions cosmiques très rapprochées ne peuvent être exclues », souligne Wallner.
Néanmoins, les supernovae ne se produisent que dans les étoiles très lourdes ayant une masse de huit à dix fois supérieure à celle de notre soleil. De telles étoiles sont rares. L’une des candidates les plus proches de cette taille est la supergéante rouge Bételgeuse dans la constellation d’Orion, située à une distance de sécurité d’environ 150 parsecs de notre système solaire.
Production d’isotopes interstellaires
De nombreux nouveaux atomes sont générés lors d’explosions cosmiques ou peu avant et pendant la supernova – parmi eux également un certain nombre d’atomes radioactifs. Wallner s’intéresse particulièrement à l’isotope radioactif du fer avec une masse atomique de 60. Environ la moitié de ces isotopes, appelés fer 60 en abrégé, se sont transformés en un isotope stable du nickel après 2,6 millions d’années. Par conséquent, tout le fer 60 qui était présent lors de la formation de la Terre il y a environ 4,5 milliards d’années a disparu depuis longtemps.
« Le fer 60 est extrêmement rare sur Terre car, par des moyens naturels, il n’est pas produit en quantité significative. Cependant, il est produit en grande quantité juste avant qu’une supernova ne se produise. Si cet isotope apparaît maintenant dans les sédiments du fond de l’océan ou dans les matériaux de la surface de la Lune, il provient probablement d’une supernova ou d’un autre processus similaire dans l’espace qui a eu lieu près de la Terre il y a seulement quelques millions d’années », résume Wallner. .
Le physicien du HZDR, le professeur Anton Wallner, est un spécialiste de la recherche de matière interstellaire par spectrométrie de masse par accélérateur (AMS). Wallner et ses collègues australiens sont actuellement à la recherche d’autres isotopes cosmiques : à Canberra, il recherche des atomes de Fe-60, à Sydney des atomes de PU-244. À cette fin, il a reçu de l’agence spatiale américaine NASA un certain nombre d’échantillons lunaires. Crédit : ANU
Il en va de même pour l’isotope du plutonium, dont la masse atomique est de 244. Cependant, ce plutonium 244 est plus probablement généré par la collision d’étoiles à neutrons que par des supernovae. C’est donc un indicateur de la nucléosynthèse des éléments lourds. Après une période de 80 millions d’années, environ la moitié de l’isotope du plutonium 244 s’est transformée en d’autres éléments. Par conséquent, le plutonium 244, en décomposition lente, est, outre le fer 60, un autre indicateur des événements galactiques et de la production de nouveaux éléments au cours des derniers millions d’années.
« La fréquence exacte, le lieu et les conditions dans lesquelles ces éléments lourds sont produits fait actuellement l’objet d’un débat scientifique intense. Le plutonium-244 nécessite également des événements explosifs et, selon la théorie, est produit de la même manière que les éléments or ou platine, qui ont toujours été présents naturellement sur Terre mais sont aujourd’hui constitués d’atomes stables », explique Wallner.
Des particules de poussière comme cargos cosmiques
Mais comment ces isotopes parviennent-ils sur Terre en premier lieu ? Les atomes de fer 60 éjectés par la supernova aiment se rassembler en particules de poussière. Il en va de même pour les isotopes du plutonium 244, qui ont peut-être été créés lors d’autres événements et balayés par l’enveloppe en expansion de la supernova. Après des explosions cosmiques à une distance de plus de dix mais moins de 150 parsecs, selon la théorie, le vent solaire et le champ magnétique de l’héliosphère empêchent les atomes individuels d’atteindre la Terre. Cependant, les atomes de fer 60 et de plutonium 244 piégés dans les particules de poussière continuent de voler vers la Terre et la Lune, où ils peuvent éventuellement s’écouler jusqu’à la surface.
Même avec une supernova se produisant dans le soi-disant « rayon de destruction » de moins de dix parsecs, pas même un microgramme de matière de l’enveloppe n’atterrira sur chaque centimètre carré. En fait, très peu d’atomes de fer 60 par centimètre carré atteignent la Terre chaque année. Cela pose un énorme défi aux « enquêteurs » comme le physicien Anton Wallner : dans un échantillon de sédiment d’un gramme, peut-être quelques milliers d’atomes de fer 60 sont répartis comme des aiguilles dans une botte de foin parmi des milliards de milliards d’atomes de fer omniprésents et stables avec la forme atomique. de masse de 56. De plus, même la méthode de mesure la plus sensible ne peut détecter qu’une particule de cinq millièmes, soit un maximum de seulement quelques atomes de fer 60 dans un échantillon de mesure typique.
Des concentrations aussi extrêmement faibles ne peuvent être déterminées qu’avec la spectrométrie de masse par accélérateur, abrégé AMS. L’une de ces installations, l’AMS de Dresde (DREAMS), est située au HZDR, et sera bientôt rejointe par le spectromètre de masse à accélérateur Helmholtz pour le traçage des radionucléides environnementaux (HAMSTER). Étant donné que les installations AMS à travers le monde sont conçues différemment, les différentes installations peuvent se compléter dans la recherche d’isotopes rares issus des explosions de supernova.
20 ans pour seulement mille atomes de fer 60
Les isotopes du même élément mais de masse différente, comme le fer 56 naturel, sont éliminés à l’aide de filtres de masse. Les atomes d’autres éléments ayant la même masse que l’objet cible, le fer-60, par exemple le nickel-60 naturel, interfèrent également. Même après une préparation chimique très complexe des échantillons, ils restent des milliards de fois plus abondants que le fer 60 et doivent être séparés dans un accélérateur spécial utilisant des méthodes de physique nucléaire.
En fin de compte, peut-être cinq atomes individuels de fer 60 sont identifiés au cours d’un processus de mesure qui dure plusieurs heures. Des travaux pionniers sur la détection du fer 60 ont été menés à la TU Munich. Toutefois, à l’heure actuelle, Canberra, au Université nationale australienne est la seule installation existante au monde suffisamment sensible pour effectuer de telles mesures.
Au total, seulement un millier d’atomes de fer 60 environ ont été mesurés au cours des 20 dernières années. Pour le plutonium 244 interstellaire, présent à des concentrations plus de 10 000 fois inférieures, seules les données relatives aux atomes individuels étaient disponibles pendant longtemps. Ce n’est que récemment qu’il a été possible de déterminer une centaine d’atomes de plutonium 244 dans une infrastructure spécialisée à Sydney – similaire à l’installation HAMSTER actuellement en cours de développement au HZDR.
Cependant, seuls certains échantillons se prêtent à l’investigation, qui font office d’archives pour conserver ces atomes venus de l’espace pendant des millions d’années. Les échantillons prélevés à la surface de la Terre, par exemple, sont rapidement « dilués » par les processus géologiques. Les sédiments et les croûtes provenant des profondeurs marines, qui se forment lentement et sans perturbation au fond de l’océan, sont idéaux. Alternativement, des échantillons provenant de la surface lunaire conviennent car les processus perturbateurs ne posent guère de problème.
Lors d’un voyage de recherche jusqu’au début novembre 2023, Wallner et ses collègues partiront à la recherche d’autres isotopes cosmiques dans des installations AMS particulièrement adaptées situées dans les villes australiennes de Canberra (fer 60) et de Sydney (plutonium 244). A cet effet, il a reçu de l’agence spatiale américaine un certain nombre d’échantillons lunaires. NASA.
« Des mesures parallèles ont également lieu au HZDR. Ces échantillons uniques nous permettront d’acquérir de nouvelles connaissances sur les explosions de supernova près de la Terre, mais également sur les éléments les plus lourds de notre galaxie qui se forment à travers ces processus et d’autres », est certain Wallner.
