随着太阳系穿行于星际间巨大的气体和尘埃云中，地球正在悄然收集来自古老恒星爆炸的放射性碎片。科学家在分析最长达8万年历史的南极冰层时，发现了铁-60的踪迹——这是一种产生于超新星爆炸的稀有同位素——并找到证据表明这种“宇宙灰烬”已在本地星际云中存留已久。这一发现表明，环绕太阳系的云层是由远古爆炸恒星塑造而成的，为研究人员提供了一种研究银河系邻近区域的新途径。
这项研究由来自德累斯顿-罗森多夫赫尔姆霍兹中心（HZDR）的一个国际团队领导，结果发表在《物理评论快报》上。
南极冰层中发现稀有超新星铁
铁-60形成于大质量恒星深处，并在这些恒星以超新星形式爆发时释放到太空中。先前的研究发现证据表明，地球在数百万年前曾暴露于来自附近超新星爆发的铁-60。然而，目前已知的近期并无发生在地球附近的恒星爆发，这让科学家对几年前在相对年轻的南极雪中发现的铁-60来源感到不确定。
“我们的想法是，本星际云含有铁-60，并且可以长期储存它。当太阳系穿过该云团时，地球可以收集这些物质。然而，当时我们无法证明这一点，”HZDR离子束物理与材料研究所的多米尼克·科尔博士解释道。
为了进一步调查，科尔和安东·沃尔纳教授近年来研究了额外的地质样本，包括长达30,000年的深海沉积物。这些样本也含有铁-60，但科学家仍无法完全排除其他解释。
新分析的南极冰样本要古老得多，可追溯至40,000至80,000年前。根据该团队的说法，结果有力地表明本星际云是这种放射性物质的来源。
“这意味着环绕太阳系的云团与一次恒星爆发有关。这让我们首次有机会调查这些云团的起源，”科尔说。
太阳系穿越星际云
科学家认为，太阳系在几万年前进入本星际云，并预计将在未来几千年内再次离开。研究人员表示，太阳系目前位于该云团外缘附近。
在这项研究中，团队重点关注了覆盖太阳系可能进入该云团时间段的冰芯。该样本由阿尔弗雷德·魏格纳极地与海洋研究所赫尔姆霍兹中心（AWI）通过欧洲EPICA冰钻项目提供。
当研究人员将冰芯结果与早期的雪和深海沉积物测量结果进行比较时，他们发现40,000至80,000年前到达地球的铁-60比今天要少。
“这表明我们之前处于铁-60含量较低的介质中，或者云团本身表现出强烈的密度变化，”科尔解释道。
团队发现，铁-60信号仅在几万年的时间内就发生了显著变化，这在宇宙时间尺度上相对较快。这帮助研究人员排除了竞争理论，包括该物质来自数百万年前缓慢消散的较老超新星爆发的观点。
提取微量铁-60
为了开展这项研究，研究人员将约300公斤的南极冰从位于不来梅哈芬的AWI运往德累斯顿进行化学处理。经过大量的准备工作，只剩下几百毫克的尘埃。
随后，科学家小心翼翼地分离出铁-60，同时尽量避免在此过程中损失任何物质。
在HZDR的德累斯顿加速器质谱仪（DREAMS）实验室，团队使用另外两种放射性同位素——铍-10和铝-26测试了制备好的样本。由于这些同位素在南极冰中的预期水平已为人熟知，研究人员可以证实制备过程中没有铁-60损失。
检测少量原子
为了进行最终测量，科学家使用了澳大利亚国立大学的重离子加速器设施（HIAF），这是目前世界上唯一能够检测如此极少量铁-60的设施。利用电磁过滤器，机器按质量分离原子，直到原本含有10万亿个原子的样本中只剩下几个铁-60原子。
“这就像在50,000个装满干草直至屋顶的足球场里寻找一根针。这台机器在一小时内就能找到这根针，”波恩大学的安娜贝尔·罗尔夫斯解释道。
“通过与国际同事多年的合作，我们开发了一种极其灵敏的方法，现在使我们能够在今天的地质档案中检测到数百万年前发生的宇宙爆发的清晰特征，”沃尔纳总结道。
研究人员目前正计划研究更古老的冰芯，这些冰芯来自太阳系进入本星际云之前的时间。AWI正在参与“超越EPICA - 最古老冰层”项目，该项目旨在获取追溯地球更久远过去的冰样本。