Η μυστική ιστορία του σουπερνόβα στον βυθό της θάλασσας
Τον Φεβρουάριο του 1987, ο Neil Gehrels, ένας νεαρός ερευνητής στο Goddard Space Flight Center της NASA, επιβιβάστηκε σε ένα στρατιωτικό αεροπλάνο με προορισμό το Αυστραλιανό Outback. Ο Γκέρελ μετέφερε κάποιο περίεργο φορτίο:ένα διαστημικό μπαλόνι από πολυαιθυλένιο και ένα σετ ανιχνευτών ακτινοβολίας που μόλις είχε ολοκληρώσει την κατασκευή του στο εργαστήριο. Βιαζόταν να φτάσει στο Άλις Σπρινγκς, ένα απομακρυσμένο φυλάκιο στη Βόρεια Επικράτεια, όπου θα εκτόξευε αυτά τα όργανα ψηλά πάνω από την ατμόσφαιρα της Γης για να ρίξει μια ματιά στο πιο συναρπαστικό γεγονός στο λαιμό του σύμπαντος:μια σουπερνόβα που εκρήγνυται σε ένα των κοντινών δορυφορικών γαλαξιών του Γαλαξία.
Όπως πολλά σουπερνόβα, το SN 1987A ανακοίνωσε τη βίαιη κατάρρευση ενός τεράστιου αστεριού. Αυτό που το ξεχώριζε ήταν η εγγύτητά του με τη Γη. ήταν ο πλησιέστερος αστρικός κατακλυσμός από τότε που ο Johannes Kepler εντόπισε έναν στον δικό μας γαλαξία Γαλαξία το 1604. Από τότε, οι επιστήμονες έχουν σκεφτεί πολλά ερωτήματα στα οποία για να απαντηθούν θα χρειαζόταν ένα κάθισμα στην πρώτη σειρά για έναν άλλο σουπερνόβα. Ήταν ερωτήσεις όπως αυτό:Πόσο κοντά πρέπει να είναι ένα σουπερνόβα για να καταστρέψει τη ζωή στη Γη;
Πίσω στη δεκαετία του 1970, οι ερευνητές υπέθεσαν ότι η ακτινοβολία από ένα κοντινό σουπερνόβα θα μπορούσε να εκμηδενίσει το στρώμα του όζοντος, εκθέτοντας φυτά και ζώα σε επιβλαβές υπεριώδες φως και πιθανώς να προκαλέσει μαζική εξαφάνιση. Οπλισμένοι με νέα δεδομένα από το SN 1987A, ο Gehrels μπορούσε τώρα να υπολογίσει μια θεωρητική ακτίνα καταστροφής, εντός της οποίας ένας σουπερνόβα θα είχε οδυνηρές επιπτώσεις και πόσο συχνά θα μπορούσαν να παρασυρθούν μέσα σε αυτό αστέρια που πεθαίνουν.
«Η ουσία ήταν ότι θα υπήρχε ένας σουπερνόβα αρκετά κοντά στη Γη ώστε να επηρεάζει δραστικά το στρώμα του όζοντος περίπου μία φορά κάθε δισεκατομμύριο χρόνια», λέει ο Γκέρελς, ο οποίος εξακολουθεί να εργάζεται στο Goddard. Αυτό δεν συμβαίνει πολύ συχνά, παραδέχεται, και κανένα απειλητικό αστέρι δεν περιφέρεται στο ηλιακό σύστημα σήμερα. Αλλά η Γη υπάρχει εδώ και 4,6 δισεκατομμύρια χρόνια, και η ζωή για περίπου το μισό διάστημα αυτού του χρόνου, που σημαίνει ότι οι πιθανότητες είναι καλές ότι ένας σουπερνόβα ανατίναξε τον πλανήτη κάποια στιγμή στο παρελθόν. Το πρόβλημα είναι να καταλάβουμε πότε. Επειδή οι σουπερνόβ επηρεάζουν κυρίως την ατμόσφαιρα, είναι δύσκολο να βρεις το όπλο που καπνίζει», λέει ο Γκέρελς.
Οι αστρονόμοι έχουν ψάξει στον περιβάλλοντα κόσμο για ενδείξεις, αλλά τα πιο πειστικά στοιχεία για μια κοντινή σουπερνόβα προέρχονται -κάπως παράδοξα- από τον πυθμένα της θάλασσας. Εδώ, ένας θαμπός και άσφαλτος μαύρος ορυκτός σχηματισμός που ονομάζεται κρούστα σιδηρομαγγανίου αναπτύσσεται στο γυμνό βράχο των υποβρύχιων βουνών - ακατανόητα αργά. Στα λεπτά, ελασματοποιημένα στρώματα του, καταγράφει την ιστορία του πλανήτη Γη και, σύμφωνα με ορισμένους, την πρώτη άμεση απόδειξη ενός κοντινού σουπερνόβα.
Αυτού του είδους οι ενδείξεις για τις αρχαίες κοσμικές εκρήξεις είναι εξαιρετικά πολύτιμες για τους επιστήμονες, οι οποίοι υποψιάζονται ότι οι σουπερνόβα μπορεί να έπαιξαν έναν ελάχιστα γνωστό ρόλο στη διαμόρφωση της εξέλιξης της ζωής στη Γη. «Αυτό θα μπορούσε στην πραγματικότητα να ήταν μέρος της ιστορίας του πώς προχώρησε η ζωή και των σφεντόνων και των βελών που έπρεπε να αποφύγει», λέει ο Brian Fields, αστρονόμος στο Πανεπιστήμιο του Ιλινόις στην Urbana-Champaign. Αλλά για να καταλάβουν πώς επηρέασαν τη ζωή τα σουπερνόβα, οι επιστήμονες χρειάστηκε να συνδέσουν τον χρόνο των εκρήξεών τους με κρίσιμα γεγονότα στη γη, όπως μαζικές εξαφανίσεις ή εξελικτικά άλματα. Ο μόνος τρόπος για να γίνει αυτό είναι να εντοπίσουμε τα συντρίμμια που έχουν εναποθέσει στη Γη βρίσκοντας στοιχεία στον πλανήτη μας που είναι κυρίως συγχωνευμένα μέσα σε σουπερνόβα.
Ο Fields και οι συνάδελφοί του ονόμασαν μερικά τέτοια στοιχεία σφυρηλατημένα από σουπερνόβα—κυρίως σπάνια ραδιενεργά μέταλλα που διασπώνται αργά, καθιστώντας την παρουσία τους ένα σίγουρο σημάδι ενός αστεριού που έχει λήξει. Ένας από τους πιο πολλά υποσχόμενους υποψηφίους ήταν το Fe-60, ένα βαρύ ισότοπο σιδήρου με τέσσερα περισσότερα νετρόνια από το κανονικό ισότοπο και χρόνο ημιζωής 2,6 εκατομμύρια χρόνια. Αλλά η εύρεση ατόμων Fe-60 διάσπαρτα στην επιφάνεια της Γης δεν ήταν εύκολη υπόθεση. Οι Fields υπολόγισαν ότι μόνο μια πολύ μικρή ποσότητα Fe-60 θα είχε φτάσει πραγματικά στον πλανήτη μας και στη στεριά θα είχε αραιωθεί από φυσικό σίδηρο ή θα είχε διαβρωθεί και ξεπλυθεί για εκατομμύρια χρόνια.
Έτσι, οι επιστήμονες κοίταξαν στον πυθμένα της θάλασσας, όπου βρήκαν άτομα Fe-60 στους φλοιούς σιδηρομαγγανίου, που είναι πετρώματα που σχηματίζουν λίγο σαν σταλαγμίτες:Κατακρημνίζονται από υγρό, προσθέτοντας διαδοχικά στρώματα, εκτός από το ότι αποτελούνται από μέταλλα και σχηματίστε εκτεταμένες κουβέρτες αντί για μεμονωμένες κουβέρτες. Αποτελούμενα κυρίως από οξείδια σιδήρου και μαγγανίου, περιέχουν επίσης μικρές ποσότητες σχεδόν από κάθε μέταλλο στον περιοδικό πίνακα, από το κοβάλτιο έως το ύττριο.
Καθώς τα ιόντα σιδήρου, μαγγανίου και άλλων μετάλλων ξεπλένονται στη θάλασσα από τη στεριά ή αναβλύζουν από υποβρύχιες ηφαιστειακές οπές, αντιδρούν με το οξυγόνο του θαλασσινού νερού, σχηματίζοντας στερεές ουσίες που κατακρημνίζονται στον πυθμένα του ωκεανού ή επιπλέουν μέχρι να προσκολληθούν στους υπάρχοντες φλοιούς. Ο Τζέιμς Χάιν στο Γεωλογικό Ινστιτούτο των Ηνωμένων Πολιτειών, ο οποίος μελέτησε τους φλοιούς για περισσότερα από 30 χρόνια, λέει ότι παραμένει μυστήριο πώς ακριβώς εγκαθίστανται σε βραχώδεις περιοχές του πυθμένα, αλλά μόλις συσσωρευτεί το πρώτο στρώμα, συσσωρεύονται περισσότερα στρώματα - έως και 25 εκατοστά πάχους.
Αυτό επιτρέπει στους φλοιούς να χρησιμεύουν ως κοσμικοί ιστορικοί που διατηρούν αρχεία για τη χημεία του θαλασσινού νερού, συμπεριλαμβανομένων των στοιχείων που χρησιμεύουν ως χρονικές σημάνσεις των αστεριών που πεθαίνουν. Ένας από τους παλαιότερους φλοιούς, που ψαρεύτηκε από το Hein νοτιοδυτικά της Χαβάης τη δεκαετία του 1980, χρονολογείται πριν από περισσότερα από 70 εκατομμύρια χρόνια, σε μια εποχή που οι δεινόσαυροι περιπλανήθηκαν στον πλανήτη και η ινδική υποήπειρος ήταν απλώς ένα νησί στον ωκεανό στα μισά του δρόμου μεταξύ Ανταρκτικής και Ασίας.
Η ανάπτυξη των φλοιών είναι μια από τις πιο αργές διαδικασίες που είναι γνωστές στην επιστήμη - βάζουν περίπου πέντε χιλιοστά κάθε εκατομμύριο χρόνια. Για σύγκριση, τα ανθρώπινα νύχια μεγαλώνουν περίπου 7 εκατομμύρια φορές πιο γρήγορα. Ο λόγος για αυτό είναι απλά μαθηματικά. Υπάρχει λιγότερο από ένα άτομο σιδήρου ή μαγγανίου για κάθε δισεκατομμύριο μόρια νερού στον ωκεανό - και στη συνέχεια πρέπει να αντισταθούν στην έλξη των διερχόμενων ρευμάτων και στη δύναμη άλλων χημικών αλληλεπιδράσεων που μπορεί να τα ξεκολλήσουν μέχρι να παγιδευτούν από το επόμενο στρώμα.
Ωστόσο, σε αντίθεση με τους αργά αναπτυσσόμενους φλοιούς, οι εκρήξεις σουπερνόβα συμβαίνουν σχεδόν αμέσως. Ο πιο συνηθισμένος τύπος σουπερνόβα εμφανίζεται όταν ένα αστέρι τελειώνει το υδρογόνο και το καύσιμο ήλιο του, με αποτέλεσμα ο πυρήνας του να καίει βαρύτερα στοιχεία μέχρι τελικά να παράγει σίδηρο. Αυτή η διαδικασία μπορεί να διαρκέσει εκατομμύρια χρόνια, αλλά οι τελευταίες στιγμές του αστεριού διαρκούν μόνο χιλιοστά του δευτερολέπτου. Καθώς τα βαριά στοιχεία συσσωρεύονται στον πυρήνα, γίνεται ασταθής και εκρήγνυται, ρουφώντας τα εξωτερικά στρώματα προς τα μέσα με το ένα τέταρτο της ταχύτητας του φωτός. Αλλά η πυκνότητα των σωματιδίων στον πυρήνα σύντομα απωθεί την έκρηξη, πυροδοτώντας μια τεράστια έκρηξη που εκτοξεύει ένα σύννεφο αστρικών συντριμμιών έξω στο διάστημα - συμπεριλαμβανομένων των ισοτόπων Fe-60, μερικά από τα οποία τελικά βρίσκουν το σπίτι τους σε φλοιούς σιδηρομαγγανίου.
Οι πρώτοι άνθρωποι που αναζήτησαν το Fe-60 σε αυτούς τους φλοιούς ήταν ο Klaus Knie, ένας πειραματικός φυσικός τότε στο Τεχνικό Πανεπιστήμιο του Μονάχου, και οι συνεργάτες του. Η ομάδα του Knie δεν μελετούσε ούτε σουπερνόβα ούτε κρούστες - ανέπτυξε μεθόδους για τη μέτρηση σπάνιων ισοτόπων διαφόρων στοιχείων - συμπεριλαμβανομένου του Fe-60. Αφού ένας άλλος επιστήμονας μέτρησε ένα ισότοπο βηρυλλίου, το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη χρονολόγηση των στρωμάτων των φλοιών, ο Knie αποφάσισε να εξετάσει το ίδιο δείγμα για το Fe-60, το οποίο ήξερε ότι παρήχθη σε σουπερνόβα. «Είμαστε μέρος του σύμπαντος και έχουμε την ευκαιρία να κρατήσουμε την «αστροφυσική» ύλη στα χέρια μας, αν κοιτάξουμε τα σωστά μέρη», λέει ο Knie, ο οποίος βρίσκεται τώρα στο GSI Helmholtz Center for Heavy Ion Research.
Ο φλοιός, που αφαιρέθηκε επίσης από τον πυθμένα της θάλασσας κοντά στη Χαβάη, αποδείχθηκε ότι ήταν το σωστό μέρος:ο Knie και οι συνάδελφοί του βρήκαν μια ακίδα στο Fe-60 σε στρώματα που χρονολογούνται περίπου 2,8 εκατομμύρια χρόνια πριν, που λένε ότι σηματοδότησε το θάνατο ενός κοντινό αστέρι εκείνη την εποχή. Η ανακάλυψη του Knie ήταν σημαντική από πολλές απόψεις. Αντιπροσώπευε την πρώτη απόδειξη ότι μπορούν να βρεθούν συντρίμμια σουπερνόβα εδώ στη Γη και εντόπισε τον κατά προσέγγιση χρόνο της τελευταίας έκρηξης σουπερνόβα (αν υπήρχε πιο πρόσφατη, ο Knie θα είχε βρει πιο πρόσφατες αιχμές Fe-60.). Αλλά επέτρεψε επίσης στον Knie να προτείνει μια ενδιαφέρουσα εξελικτική θεωρία.
Με βάση τη συγκέντρωση του Fe-60 στον φλοιό, ο Knie υπολόγισε ότι η σουπερνόβα εξερράγη τουλάχιστον 100 έτη φωτός από τη Γη - τρεις φορές την απόσταση στην οποία θα μπορούσε να είχε εξαφανίσει το στρώμα του όζοντος - αλλά αρκετά κοντά για να αλλάξει δυνητικά το σχηματισμό νεφών , και ως εκ τούτου, το κλίμα. Αν και δεν συνέβησαν γεγονότα μαζικής εξαφάνισης πριν από 2,8 εκατομμύρια χρόνια, έλαβαν χώρα κάποιες δραστικές κλιματικές αλλαγές - και μπορεί να έδωσαν ώθηση στην ανθρώπινη εξέλιξη. Εκείνη την εποχή, το κλίμα της Αφρικής στέγνωσε, με αποτέλεσμα τα δάση να συρρικνωθούν και να δώσουν τη θέση τους στη χορτώδη σαβάνα. Οι επιστήμονες πιστεύουν ότι αυτή η αλλαγή μπορεί να ενθάρρυνε τους ανθρωποειδείς προγόνους μας καθώς κατέβαιναν από δέντρα και τελικά άρχισαν να περπατούν με δύο πόδια.
Αυτή η ιδέα, όπως κάθε νέα θεωρία, εξακολουθεί να είναι εικαστική και έχει τους αντιπάλους της. Μερικοί επιστήμονες πιστεύουν ότι ο Fe-60 μπορεί να έχει μεταφερθεί στη Γη από μετεωρίτες και άλλοι πιστεύουν ότι αυτές οι κλιματικές αλλαγές μπορούν να εξηγηθούν με τη μείωση των συγκεντρώσεων αερίων του θερμοκηπίου ή το κλείσιμο της πύλης των ωκεανών μεταξύ Βόρειας και Νότιας Αμερικής. Αλλά το νέο εργαλείο του Knie δίνει στους επιστήμονες τη δυνατότητα να χρονολογήσουν άλλες, πιθανώς πιο αρχαίες, σουπερνόβα που μπορεί να έχουν περάσει στην περιοχή της Γης και να μελετήσουν την επιρροή τους στον πλανήτη μας. Είναι αξιοσημείωτο ότι μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε αυτούς τους θαμπούς, αργά αναπτυσσόμενους βράχους για να μελετήσουμε τα φωτεινά, γρήγορα φαινόμενα των αστρικών εκρήξεων, λέει ο Fields. Και έχουν περισσότερες ιστορίες να πουν.
Η Τζούλια Ρόζεν είναι επιστημονική συγγραφέας με έδρα το Πόρτλαντ του Όρεγκον. Οι ιστορίες της εμφανίστηκαν στο Los Angeles Times, Science News και Περιοδικό EARTH. Πριν γίνει συγγραφέας, η Τζούλια έκανε διδακτορικό. στη γεωλογία? μελέτησε φυσαλίδες αέρα παγιδευμένες σε πολικούς πυρήνες πάγου.
Προσφορά σύνθετης εικόνας: Pinwheel-Shaped Galaxy από NASA, ESA, The Hubble Heritage Team, (STScI/AURA) και A. Riess (STScI) και Red Sea Coral Reef από την Wusel700
Αυτό το άρθρο δημοσιεύθηκε αρχικά στο τεύχος "Slow" τον Μάρτιο του 2015.
