Земля мчится сквозь гигантское межзвездное облако. Доказательства нашли на глубине антарктических льдов

Солнечная система непрерывно движется вокруг центра Млечного Пути. Пространство между звездами не абсолютно пустое — оно заполнено межзвездной средой, состоящей из разреженного газа и микроскопической пыли. В настоящее время наша планетная система проходит сквозь структуру, которую астрофизики называют Местным межзвездным облаком. Это область пространства протяженностью около 30 световых лет, температура газа в которой достигает нескольких тысяч градусов. Долгое время происхождение этого скопления материи оставалось предметом научных дискуссий.

Международная группа физиков и астрономов нашла способ изучить химический состав и историю Местного облака, не покидая пределов Земли. Для этого исследователи проанализировали образцы древнего льда, извлеченные из глубинных слоев Антарктиды. Результаты анализа позволили определить плотность космической среды, через которую Солнечная система проходила десятки тысяч лет назад, и опровергнуть одну из главных гипотез формирования межзвездных облаков в нашем регионе Галактики.

Проблема происхождения Местного облака

Рассмотрим галактический контекст. Местное межзвездное облако находится внутри так называемого Местного пузыря — колоссальной области пространства диаметром в несколько сотен световых лет, в которой плотность газа крайне мала. Астрофизики сходятся во мнении, что этот пузырь образовался в результате серии взрывов сверхновых, произошедших от 10 до 15 миллионов лет назад. Ударные волны от этих взрывов расчистили пространство, вытолкнув большую часть материи на периферию.

Однако внутри этого относительно пустого пузыря существуют более плотные скопления газа и пыли — такие как Местное межзвездное облако, сквозь которое мы сейчас движемся. Возник вопрос: откуда взялся этот материал? Согласно первой гипотезе, облако представляет собой прямое следствие недавнего взрыва сверхновой, то есть состоит непосредственно из выброшенного звездой вещества. Согласно второй гипотезе, это скопление гораздо более древней межзвездной материи, которое было просто сдвинуто и уплотнено внешними ударными волнами.

Железо-60 как маркер звездного вещества

Для определения точного происхождения космической пыли ученым требовался специфический химический маркер. Таким маркером выступает радиоактивный изотоп железо-60 (60Fe).

Этот изотоп синтезируется исключительно в экстремальных условиях: в недрах массивных звезд на финальных стадиях их эволюции и в процессе взрыва сверхновой. Важнейшая характеристика железа-60 — его период полураспада, который составляет 2,6 миллиона лет. Возраст Земли превышает 4,5 миллиарда лет. Это означает, что любое первичное железо-60, присутствовавшее при формировании нашей планеты, давно распалось. Следовательно, если физики обнаруживают атомы 60Fe на Земле сегодня, этот материал имеет стопроцентное внеземное происхождение и попал на планету относительно недавно по геологическим меркам.

Ранее ученые уже фиксировали повышенные концентрации железа-60 в океанической коре и лунном грунте, что подтвердило факт взрыва сверхновых вблизи Солнечной системы около 2-3 миллионов лет назад. Недавние исследования также выявили присутствие этого изотопа в антарктических снегах, выпавших за последние два десятилетия, и в океанических отложениях возрастом до 33 тысяч лет. Чтобы понять общую динамику движения Солнечной системы сквозь Местное облако, исследователям было необходимо изучить более древний период.

Анализ ледяных кернов проекта EPICA

Для получения исторических данных за период, предшествующий 33 тысячам лет, исследователи использовали образцы льда, добытые в рамках европейского проекта EPICA в районе Земли Королевы Мод в Антарктиде. Снег в Антарктиде выпадает тысячелетиями, уплотняется и превращается в лед, надежно консервируя внутри себя любые частицы, оседающие из атмосферы, включая космическую пыль.

Физики отобрали массив льда весом 295 килограммов. Глубина залегания этих слоев строго соответствует временному интервалу от 40 000 до 81 000 лет назад. Из-за крайне низкой концентрации космической пыли процесс подготовки образцов требовал сложных химических процедур. Весь объем льда был растоплен, вода выпарена, а сухой остаток обработан азотной кислотой для извлечения металлических фракций.

Затем полученный материал исследовали с помощью метода ускорительной масс-спектрометрии (AMS). В отличие от традиционных химических анализов, этот метод позволяет разгонять ионизированные частицы до огромных скоростей и сортировать их в магнитном поле по массе и заряду. Установка способна детектировать вещество буквально на уровне единичных атомов.

Особой задачей было отделение межзвездного железа-60 от других веществ. На Землю постоянно оседает обычная метеоритная пыль из пределов Солнечной системы. Взаимодействуя с космическими лучами, эта пыль генерирует определенные изотопы, в частности марганец-53. Измеряя точное соотношение железа-60 к марганцу-53, ученые смогли отсеять влияние локальной космической пыли и выделить исключительно межзвездный сигнал.

Физические результаты и структура пространства

В результате сложнейшего анализа в 300 килограммах древнего льда детекторы зафиксировали ровно семь атомов межзвездного железа-60. Несмотря на малую величину, с точки зрения статистики и физики это четкий и достоверный сигнал, очищенный от погрешностей благодаря контрольным замерам других космогенных изотопов (таких как бериллий-10 и алюминий-26).

Пересчет этих данных позволил определить скорость оседания пыли на планету. В период от 81 до 40 тысяч лет назад на Землю оседало около 0,22 атома 60Fe на квадратный сантиметр в год. Эта цифра привела к двум выводам:

Во-первых, полученный показатель полностью опровергает гипотезу о том, что Местное межзвездное облако представляет собой чистый фрагмент выброса сверхновой. Расчеты показывают, что если бы облако состояло преимущественно из вещества взорвавшейся звезды, концентрация осажденного железа-60 на Земле была бы выше как минимум на два порядка (в 100 и более раз). Столь низкий уровень изотопа свидетельствует о том, что облако состоит из старой межзвездной среды. Взрыв сверхновой лишь создал ударную волну, которая уплотнила этот рассеянный газ, добавив в него лишь малую долю свежесинтезированного радиоактивного материала.

Во-вторых, скорость оседания 0,22 атома в год значительно ниже показателей, зафиксированных в более поздних осадочных породах (за последние 33 тысячи лет). Разница в концентрации доказывает, что Местное межзвездное облако неоднородно по своей структуре. В период от 81 до 40 тысяч лет назад Солнечная система проходила через область с пониженной плотностью космической пыли. Это означает, что Земля находилась либо на самой границе облака, только начиная вхождение в него, либо пересекала разреженный участок между отдельными плотными сгустками внутри самого комплекса облаков.

Данное исследование демонстрирует, что геологические архивы Земли могут применяться не только для реконструкции истории климата, но и для точного картирования астрофизической среды. Изучение радиоактивных изотопов в ледниковых щитах позволяет физикам фиксировать изменения структуры космического пространства по траектории движения Солнечной системы на масштабах десятков и сотен тысяч лет.

Источник: Physical Review Letters