Khám phá ra bụi sao trong tuyết Nam cực

Một nhóm các nhà nghiên cứu đã lấy 500 kilogram tuyết tinh khiết khỏi Nam Cực, rã băng và tách ra các hạt. Phân tích của họ đã cho kết quả đáng ngạc nhiên: tuyết có chứa một khối lượng đáng kể một hình thức của sắt vốn không hề có trên trái đất.

Trạm Kohnen là một container được đặt ở Nam Cực, ở gần nơi lấy mẫu tuyết mà trong đó có fe-60. Nguồn: S. Kipfstuhl/AWI

Nhiều nhà khoa học trước đây cũng đã “điểm danh” được loại đồng vị hiếm tương tự của sắt trong những mẫu vật ở đáy đại dương. Được gọi là Fe-60, nó có nhiều hơn 4 neutron sp với các hình thức phổ biến của sắt trên trái đất. Fe-60 trong mặt đáy đại dương giống như đã tích tụ trên bề mặt trái đất hàng triệu năm trước đây, như đối lập với những gì tìm được trong tuyết tinh sạch ở Nam Cực mới được tích tự trong vòng hai thập kỷ qua.

“Đây là bằng chứng đầu tiên mà người ta có thể thấy là xảy ra gần đây,” Dominik Koll – một nhà vật lý tại trường đại học quốc gia Australia ở Canberra và là tác giả chính của nghiên cứu, nói. Họ mới công bố phát hiện của mình trên tạp chí Physical Review Letters.

Những vật thể ngoài không gian rơi xuống trái đất hết sức phong phú với phạm vi trải rộng từ bụi vũ trụ đến sao băng, nhưng về tổng thể chúng được cấu tạo từ những vật liệu tương tự như vật liệu ở hành tinh của chúng ta, kể từ khi mọi thứ trong hệ mặt trời, bao gồm cả mặt trời trong đó, được tập hợp từ những khối cơ bản tương tự trong hàng tỷ năm trước. Do Fe-60 không phải là loại vật liệu chung như vậy, nó phải đến từ nơi nào đó ngoài hệ mặt trời.

“Một sao băng liên sao là một sự kiện vũ trụ rất hiếm hoi. Dẫu sao, khi kích thước của vật thể càng nhỏ thì số lượng càng phong phú”, nhà vật lý thiên văn ở Harvard Avi Loeb nhận xét. Các hạt bụi vũ trụ có thể rơi như mưa xuống bề mặt trái đất thường xuyên, nhưng lựa chọn chúng giữa vô số các hạt khác xung quanh là một việc dễ làm nản chí.

Nhưng tại South Pole, các nhà nghiên cứu cần giải thích cho những nguồn có thể phát ra phóng xạ như các nhà mý điện hạt nhân và các vụ thử nghiệm vũ khí hạt nhân. Koll và đồng nghệp của anh đã ước tính có bao nhiêu Fe-60 có thể thoát ra từ các lò phản ứng hạt nhân, các cuộc thử nghiệm và các tai nạn nhà máy điện hạt nhân như Fukushima năm 2011, và họ tính toán chỉ một lượng rất nhỏ. Bằng việc nghiên cứu những phóng xạ tăng thêm như manganese-53, họ có thể loại trừ bất cứ hạt nào từ các tia vũ trụ, vốn sinh ra fe-60 khi chúng tương tác với bụi vũ trụ và sao băng.

Những gì còn lại là đồng vị sắt với số lượng lớn gấp hàng trăm lần so với những gì họ chờ đợi. “Đó thực sự   là số lượng nổi trội”, Koll nói.

Bernhard Peucker-Ehrenbrink, một nhà địa hóa tại Viện nghiên cứu hải dương học Woods Hole ở Massachusetts, đồng ý là nhóm nghiên cứu của Koll rõ ràng đã tìm thấy một số lượng lớn đáng kể sắt liên sao. “Làm được các phép đo đạc này là điều rất khó. Anh phải đếm từng đơn nguyên tử một” trong khi phải tính đến cả những góp thêm vào của bức xạ phông vũ trụ. “Rút trích kết quả từ một nửa tấn băng không phải là một việc tầm thường”, anh nói.

Koll và đồng nghiệp đã tập trung vào Fe -60 bởi vì nó là vật chất hiếm, nhưng không phải quá hiếm, và có thời gian sống dài với chu kỳ bán rã là 2,6 triệu năm. Nhiều loại đồng vị khác có thể từ các liên sao rơi xuống trái đất thường không bền vơi chu kỳ bán rã ngắn, do đó không có cách nào để các nhà khoa học có thể tìm thấy chúng trước khi chúng phân rã và biến mất.

Các ngôi sao bắn ra một lượng phong phú các hạt nhỏ trong suốt cuộc đời của chúng, cùng với ánh sáng và nhiệt. Nhưng khi các ngôi sao trẻ hơn, về tổng thể chúng “ném ra” ngoài các kim loại nhẹ hơn như carbon và oxygen (các nhà thiên văn học có xu hướng quy những thứ lớn hơn helium là “kim loại”).) Các ngôi sao có khối lượng lớn hơn, già đi  và một kiểu của các vụ nổ tiêu tân tinh, đã mất nhiều thiên niên kỷ nung chảy hạt nhân lớn thành những thứ lớn hơn, có thể đã phóng các hạt kim loại nặng hơn, bao gồm fe-60 và người anh em bền bỉ như nó, fe-56. Sắt thông thường là nguyên tố cuối cùng một ngôi sao có thể tạo ra trong khi sinh năng lượng, và sau khi trải qua giai đoạn “hấp hối” dữ dội cuối cùng của mình, nó nổ tung. Chỉ có các ngôi sao có khối lượng gấp hàng chục lần mặt trời của chúng ta mới có thể tạo ra được các đồng vị sắt, điều đó có nghĩa là fe-60 mà họ tìm thấy ở Nam Cực có thể đến từ ngoài hệ mặt trời.

“Nó phải là một siêu tân tinh, không qua gần để có thể giết chúng ta và cũng không quá xa để bị tan loãng vào vũ trụ,” Koll nói.

Điều đó cho thấy hành tinh của chúng ta có thể chọn các hạt rải rác trong khi đi qua Đám mây liên sao địa phương (Local Interstellar Cloud), hay còn gọi là Local Fluff. Khu vực này có kích thước 30 năm ánh sáng mà hệ mặt trời đang đi qua và sắp thoát ra, giống như được hình thành từ vụ nổ các sao siêu khối lượng đã thổi các khí nóng ở những lớp ngoài của chúng vào vũ trụ.

Hiện không có những siêu tân tinh nào xuất hiện trong số các ngôi sao hàng xóm của chúng ta nên việc các định chính xác nơi nào bụi vũ trụ giàu đồng vị tới trở nên khó khăn. Koll hi vọng có thêm nhiều dữ liệu, giống như các lõi băng chạm được tới bụi vũ trụ có niên đại hơn hơn và ở sâu hơn, có thể đem đến nhiều thông tin hơn về câu chuyện này. Nghiên cứu như thế có thể chạm vào quá khứ và có thể tiết lộ một cách chính xác khi nào thì loại bụi ngoài hành tinh này bắt đầu rơi tới tấp vào hành tinh chúng ta.

Anh Vũ dịch

Nguồn: https://phys.org/news/2019-08-scientists-star-antarctic.html