Zvezdne eksplozije, ki so jih videli prvi ljudje

Predvajaj

foto: NASA

Zemlja je stara skoraj 5 milijard let in je nastala iz snovi, ki so jo pred tem bruhnile v prostor zvezdne eksplozije z imenom supernove. Ali so se take eksplozije dogajale tudi pozneje, nismo vedeli, saj se je zdelo, da taki dogodki na Zemlji niso bili zabeleženi. Ta mesec se je to spremenilo. Postalo je jasno, da se je prah okoliških zvezdnih eksplozij na Zemljo usedal še nedavno.

V nadaljevanju objavljamo pogovor z dr. Antonom Wallnerjem z avstralske nacionalne univerze v Canberri in dr. Dieterjem Breitschwertom s tehniške univerze v Münchnu, vodjema dveh raziskav, ki sta bili ta mesec objavljeni v prestižni reviji Nature.

Pogovor z dr. Antonom Wallnerjem

Dr. Wallner, atomsko jedro železa je po navadi sestavljeno iz 56 delcev, 26 je protonov in 30 nevtronov. Nedavno pa ste preučevali železova jedra s 4 dodatnimi nevtroni. Zakaj je to “železo 60” zanimivo?

Železo 60 je posebna vrsta železa. To atomsko jedro ni stabilno. Je radioaktivno in razpada z razpolovnim časom 2,5 milijona let v drug stabilen element. Ker je Zemlja veliko starejša, je vse prvotno železo 60 do zdaj že razpadlo. Običajno stabilno železo obstaja kjerkoli na Zemlji, železo 60 pa ne. Če ga torej najdemo kje v zemeljskih plasteh, vemo, da je moral priti iz vesolja. In ker je radioaktivno, vemo, da je moralo to železo nastati v zadnjih nekaj milijonih let, saj bi drugače že razpadlo. Železo 60 je tako časovno označeno. Če bi železo 60 prišlo na Zemljo pred 10 ali 15 milijoni let, bi do danes že skoraj povsem razpadlo in ga na Zemlji ne bi mogli zaznati. Nekaj malega železa 60 nastaja tudi v meteoritih in mikrometeoritih, ki imajo izvor drugje v Osončju. Ker ti delci stalno bombardirajo Zemljo, so lahko odgovorni za nekaj železa 60 na Zemlji. Vendar so daleč najpomembnejši vir železa 60 zelo masivne zvezde, v katerih to železo nastane tik preden take zvezde eksplodirajo kot supernove. Med eksplozijo supernove zvezda izvrže v vesolje večino svoje snovi, z njo pa tudi pravkar nastala radioaktivna jedra, med katerimi je tudi železo 60. Če se tak dogodek zgodi relativno blizu našega Osončja in s tem Zemlje, obstaja možnost, da nekaj te snovi najde pot do Zemlje, se sčasoma usede nanjo in postane sestavni del geoloških plasti.

Železo s štirimi dodatnimi nevtroni je tako redko, da so mislili, da v naravi sploh ne nastopa. Kako vam uspe zaznati njegove sledi v zemeljskih plasteh in določiti njegovo pogostost?

Preučujemo geološke plasti in v njih iščemo to zunajzemeljsko železo 60. Geološke plasti se nalagajo zelo počasi. V našem primeru je to trajalo milijone let. Ker rastejo počasi, lahko iz njih izluščimo časovni razvoj. Sestavimo lahko časovno zaporedje, kronologijo, kjer za vsako plast vemo njeno starost. Ta ideja ni nova, pred več kot dvajsetimi leti so že govorili o možnosti iskanja atomskih jeder, ki so nastala ob eksplozijah supernov v naši okolici. Pionirsko delo so opravili na tehniški univerzi v Münchnu, kjer so prvi razvili tehnike za odkrivanje takih drobnih sledi železa 60 na Zemlji. Pri tem moramo biti sposobni prešteti vsak atom posebej, saj je v običajnem vzorcu le po nekaj atomov železa 60. Železo 60 smo torej morali ločiti od več tisočbilijonkrat bolj pogostega neradioaktivnega železa, seveda pa smo ga morali ločiti tudi od drugih kemičnih elementov v preiskovanih geoloških plasteh. Kolegi v Helmholtzovem centru v Dresdnu v Nemčiji in na univerzi v Tokiu so s kemičnim ločevanjem iz vzorcev zbrali vse železo. Ker pa so atomi železa 60 nekoliko masivnejši od običajnega železa, smo njihovo vsebnost lahko določili s tehniko, ki ji pravimo rentgenska masna spektrometrija. To je v osnovi isti način kot ga uporabljamo za določitev starosti vzorcev z radiokarbonskim datiranjem. Ker za določitev navzočnosti vsega nekaj atomov železa 60 potrebujemo izjemno občutljivost, smo uporabili eno od le dveh naprav na svetu, ki to zmoreta. V našem je to pospeševalnik delcev, ki ga imamo na avstralski nacionalni univerzi v Canberri, druga taka naprava pa je v Münchnu.

Dr. Wallner, vaš nedavni članek v reviji Nature pokaže, da je v dveh plasteh na Zemlji železa 60 veliko več kot v drugih plasteh. Kaj je vzrok za to?

Navzočnost železa 60 so pred kakim desetletjem zaznali že kolegi v Münchnu. Torej v tem nismo prvi. Že oni so pokazali, da je v plasti, ki je stara med 2 in 3 milijoni let, več te vrste železa. To nas je vzpodbudilo, da smo začeli s širše zastavljenim projektom. Zbrali smo različne tipe vzorcev iz dna Tihega oceana, Indijskega oceana in Atlantika. S skupaj 8 različnimi vzorci smo prvi sestavili globalno sliko navzočnosti železa 60 za obdobje zadnjih 10 milijonov let. Poleg potrditve prejšnjih dognanj smo ugotovili, da je obnašanje železa 60 povsod po svetu enako, časovne spremembe navzočnosti železa 60 pa so bile tudi zelo jasno vidne. Torej izvor tega železa nikakor niso mogli biti meteoriti, ampak je moralo nastati ob ekplozijah zvezd zunaj našega Osončja. Dodatno železo 60 smo zaznali v dveh plasteh, ena je bila starosti med milijonom in pol in tremi milijoni let, druga pa starosti med 6,5 in 8,5 milijoni let. V obeh primerih to železo prihaja iz prostora med zvezdami, najverjetneje pa so ga tja izbruhnile eksplozije supernov. Torej vemo, da je v okolici Sonca v tem obdobju eksplodiralo več supernov. To se ujema z našimi predstavami o dogajanju v naši galaktični okolici, z našim odkritjem pa smo to sliko tudi potrdili. Ko smo ocenili, koliko železa 60 nastane ob eksploziji supernove, smo po številu najdenih atomov lahko rekli tudi, da so se te eksplozije zgodile na razdalji, za katero svetloba potrebuje od 200 do 300 let.

Bližnja eksplozija supernove, ki je odgovorna za dodatno železo 60, je bila gotovo videti spektakurno.  Je bila tudi nevarna za življenje na Zemlji?

Govorimo o eksploziji, ki je tako daleč, da svetloba za pot do Zemlje potrebuje 200 ali 300 let. Zato ne verjamemo, da je taka eksplozija imela kakšne neposredne posledice za življenje na Zemlji. Če bi bila ta eksplozija supernove bližje, na primer le 50 ali 80 let potovanja svetlobe daleč, bi bilo drugače. V našem primeru pa je mogoče, da je bilo nekaj več kozmičnega sevanja, kar bi morda lahko pripomoglo k več oblakom v zemeljski atmosferi in posledično spremembi temperature in morda tudi klime na Zemlji. Zanimivo se je v istem času, kot je na Zemljo padalo radioaktivno železo 60, na Zemlji spremenila tudi temperatura. Pred približno 3 milijoni let se je ohladilo, kar je bilo pomembno tudi za razvoj človeka. Tudi pred 8 milijoni let ob drugem maksimumu železa 60 imamo spremembo zemeljske klime. Seveda pa še nismo prepričani, ali sta ti sovpadanji zgolj naključji, ali pa je med usedanjem železa 60 in klimatskimi spremembami res kakšna vzročna povezava. Zagotovo bo to predmet raziskav v bližnji prihodnosti.

Pogovor z dr. Dieterjem Breitschwerdtom

Prof. Breitschwerdt, ko gledamo nočno nebo, se zdi prostor med nami in zvezdami popolnoma prazen. Vendar to ni povsem res. Kaj lahko najdemo v okolici Sonca na razdaljah do nekaj sto let potovanja svetlobe?

V prostoru med zvezdami je razredčena medzvezdna snov v obliki plina, plazme in prahu, iz nje pa lahko nastajajo tudi nove zvezde. V okolici našega Sonca je podobno. Tu prevladuje predvsem močno segret in zelo razredčen plin v obliki plazme, ki ima temperaturo od nekaj sto tisoč do milijonov stopinj. Ta vroč plin imenujemo lokalni mehurček in je nastal kot posledica eksplozij supernov v okolici našega Sonca na oddaljenosti do približno 300 let potovanja svetlobe.

V članku, ki ste ga objavili v reviji Nature, pravite, da so naši človeški predniki lahko opazovali dve zvezdni eksploziji v okolici Sonca. Lahko poveste kaj, kje in kdaj sta se ti eksploziji zgodili?

Izračunali smo, da je moralo eksplodirati kakih 16 zvezd. In vse te eksplozije je bilo mogoče videti tudi z Zemlje. Dve najbližji sta se zgodili na razdalji med 300 in 325 svetlobnih let. Eksplodirali sta pred 2,3 in pred 1,5 milijoni let. Ti dve eksploziji sta bili izjemni. Kadar eksplodira supernova, je namreč za kratek čas videti tako svetla kot vse stotine milijard zvezd v naši Galaksiji skupaj. Videti je tako svetla kot polna Luna zbrana v točko, več tednov bi jo zagotovo bilo mogoče videti tudi podnevi.

Kaj bi torej na nebu videli naši predniki?

Tedaj bi eno noč na nebu videli zvezde kot po navadi, s prostim očesom seveda tudi tiste, ki so od nas oddaljene 300 svetlobnih let. Naslednjo noč pa bi videli zaslepljivo eksplozijo supernove. Ta se je seveda v resnici zgodila že pred 300 leti, vendar je njena svetloba toliko časa potrebovala do Zemlje. To noč bi torej namesto običajne nevpadljive zvezdice tam opazili izjemno svetlo piko, ki bi svetila toliko kot polna luna. Astronomi seveda vedno upamo, da se bo kaj takega zgodilo v obdobju našega življenja, vendar je bil zadnji tak srečnež Johannes Kepler, ki je tako eksplozijo opazoval leta 1608.

Pričakujemo kaj takega v bližnji prihodnosti?

Obstajajo napovedi, vendar so vse zvezde, ki bi lahko eksplodirale, veliko dlje od nas. Eksplozije, ki smo jih obravnavali, so bile od vseh v zadnjih 3 milijonih let nam najbližje. Kot smo razložili v članku, je bila eksplozija, ki se je zgodila pred 2,3 milijoni let, le 270 do 300 svetlobnih let daleč. Druga eksplozija je bila malenkost dlje, kakih 310 svetlobnih let daleč, in se je zgodila pred 1,5 milijona leti. V bližnji prihodnosti ne pričakujemo nobene eksplozije tako blizu nas. In tako bo še vsaj 10 ali 20 milijonov let, saj ne poznamo nobene zvezde v naši okolici, ki bi bila na tem, da eksplodira. So pa kandidatke za eksplozijo, ki so bolj oddaljene od nas. Betelgeza je tak primer bolj oddaljene zvezde, ki jo bo razneslo v prihodnjih 100 tisoč letih ali milijonu let.

Svetloba eksplozij teh supernov je dosegla Zemljo v vsega 300 letih. Delci, vključno z radioaktivno vrsto železa, ki so ga izvrgle te eksplozije, pa potujejo veliko počasneje kot svetloba. Koliko časa so ti delci potovali do Zemlje? Je morda Zemlja na kakšen način zaščitena pred tako prho delcev iz vesolja?

Podrobni izračuni so pokazali, da so delci supernove do Zemlje potovali kakih 100 tisoč let. Zemljo pred takim pršem električno nabitih delcev ščiti magnetno polje ter veter delcev s Sonca. Radioaktivno železo se je tej zaščiti izognilo, saj se je sprijelo v prašna zrna, ki imajo veliko večjo maso in jih zato magnetno polje ali veter Sončevih delcev ne uspe odkloniti z njihove poti in lahko oblijejo tudi Zemljo. Vse skupaj ni nič nevarnega. Izračunali smo, da se je na vso Zemljo usedlo le kakih 500 ton radioaktivnega železa 60, kar res ni veliko. To potrjuje tudi dejstvo, da smo se morali zelo potruditi, da smo te delce v geoloških plasteh na dnu oceanov sploh odkrili. So pa ti radioaktivni delci železa povsod, našli smo jih tudi v vzorcih kamenin z Lune.

Svetloba teh starodavnih zvezdnih eksplozij je že davno potemnela. Tako o njih sklepamo po zemeljskih usedlinah radioaktivnega železa 60. Morda vašo rekonstrukcijo zvezdnih eksplozij v Sončevi okolici podpirajo še kakšna druga opazovanja?

Ko smo poslali naš rezultat v objavo, smo ugotovili, da naši kolegi, ki analizirajo podatke satelita PAMELA, vidijo nekaj podobnega. Ta satelit skuša zaznati sledi antisnovi v vesolju. Kolegi so ugotovili, da opažajo presežek antiprotonov in pozitronov, to je delcev, ki imajo enako maso, vendar nasprotni električni naboj od običajnih protonov in elektronov. Neodvisno od nas so ugotovili, da ta presežek lahko razložijo kot posledico eksplozije supernove, ki se je zgodila pred kakima 2 milijonoma let na razdalji približno 300 svetlobnih let. Povsem neodvisno in na podlagi drugačnih opazovanj so torej prišli do razlage z eksplozijo ob tako rekoč enakem času in na enaki razdalji. Torej je naša razlaga dobila neodvisno potrditev.