透過在沉積物和月球樣本中發現的鐵-60 和鈽-244 等獨特同位素的痕跡，地球留下了附近超新星的傷痕。利用加速器質譜分析法等先進方法探測到的這些宇宙殘留物，揭示了我們宇宙鄰近地區大規模恆星爆炸的歷史。

天文學家正在尋找近地天文物理事件的”目擊者”。當大型恆星或天體在地球附近爆炸時，它們的碎片可能會到達我們的太陽系。地球和月球上都有這些宇宙事件的證據，可以透過加速器質譜儀（AMS）探測到。德勒斯登-羅森多夫亥姆霍茲中心（HZDR）的Anton Wallner 教授最近在科學期刊《核子與粒子科學年度評論》上發表了一篇關於這項令人興奮的研究的綜述。

在他們的論文中，HZDR 的物理學家Anton Wallner 和同事、美國伊利諾大學厄巴納分校的Brian D. Fields 教授概述了近地宇宙爆炸，並特別關注分別發生在300 萬年前和700 萬年前的事件。

「幸運的是，這些事件距離地球還足夠遙遠，因此它們可能不會對地球氣候產生重大影響，也不會對生物圈產生重大影響。然而，當宇宙爆炸發生在30 光年或更小的距離時，情況就會變得非常不妙，”沃爾納解釋。換算成天體物理單位parsec，這相當於不到八到十個parsecs。

大質量恆星一旦燃盡所有燃料，其內核就會坍縮成超高密度的中子星或黑洞，同時，高溫氣體會以極快的速度向外噴射。分散在恆星之間的大部分氣體和塵埃被膨脹的衝擊波帶走。這個包膜就像一個巨大的氣球，上面有一個凹凸不平的地方，它也會捲走太空中已經存在的任何物質。經過數千年後，超新星的殘餘物已經膨脹到直徑達10 皮秒，並且越來越緩慢地擴散開來，直到運動最終停止。

對來自太平洋的鐵錳結殼進行的加速器質譜（AMS）測量發現了星際鐵-60、錳-53和鈽-244。其中包括可追溯到2000 多萬年前的原子。作為刻度的硬幣直徑為3.2 公分。資料來源：HZDR

附近的爆炸有可能嚴重破壞地球的生物圈，造成類似6,600 萬年前小行星撞擊的大滅絕。恐龍和許多其他動物物種都是那次事件的受害者。沃納強調：”如果我們考慮到太陽系形成以來的時間跨度達數十億年，那麼就不能排除非常接近的宇宙爆炸。”

然而，超新星只發生在質量超過太陽8 到10 倍的重恆星。這種恆星非常罕見。最接近這種大小的恆星之一是獵戶座的紅色超巨星參宿四，它與太陽系的安全距離約為150 皮秒。

星際同位素的產生

在宇宙爆炸或超新星爆炸前不久和爆炸過程中會產生許多新原子，其中也包括一些放射性原子。沃納對原子質量為60 的放射性鐵同位素特別感興趣。這些同位素中大約有一半（簡稱鐵-60）在260 萬年後變成了穩定的鎳同位素。因此，大約45 億年前地球形成時存在的所有鐵-60 早已消失。

“鐵-60 在地球上極為罕見，因為在自然界中，鐵-60 的產量並不多。然而，在超新星發生之前，它卻會大量產生。如果這種同位素現在出現在海底沉積物或月球表面的物質中，那麼它很可能來自於幾百萬年前發生在地球附近的超新星或其他類似的太空過程，」沃納總結道。

HZDR 物理學家Anton Wallner 教授是利用加速器質譜儀（AMS）尋找星際物質的專家。沃納和他在澳洲的同事目前正在尋找更多的宇宙同位素–在坎培拉，他正在尋找Fe-60 原子，在悉尼，他正在尋找PU-244 原子。為此，他從美國國家航空暨太空總署（NASA）獲得了一些月球樣本。資料來源：澳洲國立大學

原子質量為244 的鈽同位素也是如此。不過，這種鈽244更有可能是由中子星碰撞產生的，而不是由超新星產生的。因此，它是重元素核合成的指標。經過8000 萬年的時間，大約一半的鈽-244 同位素變成了其他元素。因此，除鐵-60 外，緩慢衰變的鈽-244 是銀河系事件和過去數百萬年新元素產生的另一個指標。

“這些重元素究竟是多久、在哪裡以及在什麼條件下產生的，目前還存在激烈的科學爭論。鈽244 的產生也需要爆炸性事件，根據理論，其產生過程類似於金或鉑元素的產生過程，這些元素一直在地球上自然存在，但如今由穩定的原子組成，」沃爾納解釋。

作為”宇宙貨船”的塵埃粒子

但這些同位素最初是如何到達地球的呢？超新星噴射出的鐵-60 原子喜歡聚集在塵埃粒子中。鈽-​​244同位素也是如此，它們可能是在其他事件中產生的，並被超新星膨脹的包膜捲走。根據理論，在距離超過10 但小於150 皮秒的宇宙爆炸後，太陽風和日光層的磁場會阻止單個原子到達地球。然而，被困在塵埃粒子中的鐵-60和鈽-244原子會繼續飛向地球和月球，最終會涓涓細流地到達月球表面。

即使超新星發生在不到10 皮秒的所謂”殺傷半徑”內，也不會有哪怕一微克的物質從包層落到每平方厘米的地面上。事實上，每年每平方公分只有極少量的鐵-60原子到達地球。這給物理學家安東-瓦爾納這樣的”調查者”帶來了巨大的挑戰： 在一克的沉積物樣本中，也許只有幾千個鐵-60 原子像大海撈針一樣分佈在數十億個原子質量為56 的無所不在的穩定鐵原子中。此外，即使是最靈敏的測量方法，也只能偵測到每五千個粒子，也就是說，在一個典型的測量樣本中，最多只能偵測到幾個鐵-60 原子。

這種極低的濃度只能透過加速器質譜法（簡稱AMS）來測定。亥姆霍茲加速器質譜儀追蹤環境放射性核素（HAMSTER）即將加入其中。由於全球各地的AMS 設施設計各不相同，因此在尋找超新星爆炸產生的稀有同位素時，不同的設施可以相互補充。

用20年時間找1000個鐵-60 原子

同種元素但質量不同的同位素，如天然存在的鐵-56會被質量過濾器去除。與目標物鐵-60 具有相同質量的其他元素的原子，例如天然存在的鎳-60，也會受到干擾。即使對樣本進行了非常複雜的化學製備，它們的含量仍然是鐵-60 的數十億倍，因此必須在特殊的加速器設施中利用核物理方法將它們分離出來。

最終，在持續數小時的測量過程中，也許只能辨識出5 個獨立的鐵-60 原子。探測鐵-60 的開創性工作是在慕尼黑工業大學進行的。但目前，澳洲國立大學坎培拉分校是世界上唯一一個靈敏度足以進行此類測量的現有設施。

在過去20 年中，總共只測量了大約1000個鐵-60 原子。至於星際鈽244的濃度更是要低一萬倍以上，長期以來只能取得單一原子的數據。直到最近，才有可能在雪梨的一個專門設施中測定大約一百個鈽244 原子–類似於目前正在HZDR 開發的HAMSTER 設施。

然而，只有某些樣本適合進行研究，這些樣本可以作為檔案將這些來自太空的原子保存數百萬年。例如，來自地球表面的樣本會被地質過程迅速”稀釋”。來自深海的沉積物和地殼在海底不受干擾的情況下緩慢形成，是理想的樣本。另外，月球表面的樣本也很合適，因為破壞過程幾乎不成問題。

在2023 年11 月初之前的研究之旅中，瓦爾納和他的同事們將在澳洲坎培拉（鐵-60）和雪梨（鈽-244）兩座城市特別合適的AMS 設施中尋找更多宇宙同位素。為此，他從美國國家航空暨太空總署（NASA）獲得了一些月球樣本。同時，他也在HZDR 進行測量。這些獨特的樣本將使我們能夠對地球附近的超新星爆炸以及銀河系中透過這些過程和其他過程形成的最重元素有新的認識。

編譯來源：ScitechDaily